МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ КОДОВЫЙ ПРИЕМНИК

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована в оптико-электронных системах обнаружения и определения направления падающего лазерного излучения, для формирования в таких системах информации о направлении источника излучения в виде цифрового двоичного кода Грея.
Известен многоэлементный кодовый приемник, содержащий полупроводниковую подложку одного типа проводимости с областями противоположного типа проводимости, образующими фоточувствительные площадки, размещенные в виде основных и дополнительных разрядов, причем фоточувствительные площадки каждого разряда расположены в соответствии с кодом Грея и электрически соединены между собой изолированными от полупроводниковой подложки токопроводящими дорожками (см. пат. РФ №50048, МПК 7 H01L 27/00, опубл. 10.12.2005 г.). В данной конструкции в качестве материала подложки и фоточувствительных площадок используется германий. Область применения такого приемника ограничена его спектральной чувствительностью с длинноволновой границей, не превышающей 1, 7 мкм.
x
1-x
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели многоэлементный кодовый приемник, предназначенный для регистрации импульсного лазерного излучения в ИК диапазоне спектра, в котором реализована топология 4-х разрядного кода Грея на основе фоторезисторов с одинаковой шириной токопроводящих и фоточувствительных площадок из монокристаллических пластин CdHgTe на трехкаскадном термоэлектическом охладителе (ТЭО), который работает при комнатной температуре окружающей среды (см. И.Ю. Ларцев и др. «Оптический кодовый датчик системы «код Грея» на диапазон длин волн 1-11 мкм», ж. Прикладная физика, №3, 2004, с. 91-94.). Свойства тройных твердых растворов теллуридов кадмия-ртути позволяет изготовлять высокочувствительные приемники в спектральном диапазоне от 1,0 до 25 мкм.
x
1-x
Эксплуатация такого приемника с термоэлектическим охладителем при температуре окружающей среды (55-60)°C повышает рабочую температуру. Это приводит к снижению чувствительности. Дополнительная тепловая нагрузка на термоэлектический преобразователь за счет тепловыделения на всех разрядах фоторезисторов при подаче на них рабочего напряжения также повышает рабочую температуру. Поэтому величина чувствительности многоэлементного кодового приемника при повышенных температурах окружающей среды может быть ограничена величиной тепловыделения на всех разрядах фоторезисторов. Приемник излучения из монокристаллических пластин CdHgTe имеет клеевое соединение с подложкой с низкой теплопроводностью клея, что ограничивает напряжение смещения фоторезисторов и сигнал фоторезистора из-за ухудшенного теплоотвода.
Регистрируемое излучение попадает на такой кодовый приемник в виде полоски шириной 0,3-0,5 мм и длиной равной ширине всего кодового приемника. Засвечивая часть фоточувствительных площадок и непрозрачных для излучения токопроводящих дорожек всех разрядов, такая полоска обеспечивает в зависимости от своего положения формирование в усилителях двоичного кода Грея. При одинаковой ширине токопроводящих дорожек и фоточувствительных площадок значительная часть излучения, попадающая на непрозрачные для излучения токопроводящие дорожки и зазоры между разрядами, не используется, снижая тем самым эффективность работы приемника.
x
1-x
Предлагаемая полезная модель решает задачу снижения выделяемой тепловой мощности за счет увеличения темнового сопротивления всех разрядов приемника, увеличения отвода тепла от фоторезисторов за счет отсутствия клеевого соединения их с подложкой при использовании гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe и увеличения эффективности (отношения сигнала к шуму) работы приемника за счет увеличения площади фоточувствительных площадок при сохранении тех же размеров всего кодового приемника.
Техническим результатом при использовании полезной модели является повышение чувствительности приемника излучения.
x
1-x
x
1-x
Указанный технический результат достигается тем, что многоэлементный кодовый приемник содержит сформированные на подложке фоточувствительные элементы, выполненные в виде фоторезисторов на основе CdHgTe, состоящих из соединенных непрозрачными для регистрируемого излучения токопроводящими дорожками фоточувствительных площадок, расположенных в виде основных и дополнительных разрядов в соответствии с кодом Грея, причем ширина фоточувствительных площадок каждого основного и дополнительного разряда больше ширины их токопроводящих дорожек, а фоточувствительные площадки выполнены в форме меандра гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe. В частных случаях выполнения ширина токопроводящих дорожек составляет 50-150 мкм, а расстояния между соседними разрядами и между токопроводящими дорожками и фоточувствительными площадками в одном разряде составляет 10-40 мкм.
x
1-x
x
1-x
Применение гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe в качестве фоточувствительного материала площадок обусловлено тем, что в отличие от применяемого в прототипе монокристаллического объемного материала гетероэпитаксиальная структура не требует клеевого соединения фоточувствительного материала площадок с подложкой, обеспечивая регистрацию лазерного ИК излучения в широком спектральном диапазоне в фоточувствительном материале с максимумом чувствительности в зависимости от состава твердого раствора CdHgTe (мольная доля теллурида кадмия) и выбранной рабочей температуры.
x
1-x
Уменьшение ширины непрозрачных для излучения токопроводящих дорожек вместе с расположенными под ними частями гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe и уменьшение расстояния между основными и дополнительными разрядами осуществляется одновременно только при исполнении фоточувствительной площадки в виде меандра. За счет этого увеличивается площадь освещаемых полоской лазерного излучения частей фоточувствительных площадок при сохранении той же ширины всего кодового приемника. Это приводит к увеличению эффективности работы приемника (отношение сигнал/шум) за счет увеличения величины сигнала фотоответа.
раз
При фиксированной ширине (b) кодового приемника ширина фоточувствительных площадок каждого (L) основного и дополнительного разряда увеличена за счет ширины их токопроводящих дорожек (a) и расстояния между соседними разрядами (b) и ее величина соответствует выражению:
раз
L=L·2/n-(a+2·b),
где n - количество основных и дополнительных разрядов.
x
1-x
Максимальная ширина фоточувствительной площадки достигается при минимальной ширине токопроводящих дорожек и минимальном расстоянии между соседними разрядами. Минимальная ширина токопроводящей дорожки определяется допустимой величиной падения напряжения на ней, поскольку на ее балластном сопротивлении дополнительно выделяется тепло, что уменьшает эффективность работы приемника. Ее величина определяется исходя из длины кодового приемника, толщины и удельного сопротивления используемой металлизации и величины дополнительно выделяемой мощности (например, не более 1%). Минимальное расстояние между соседними разрядами определяется допустимой величиной фотоэлектрической взаимосвязи между соседними разрядами (как правило, не более 10%) и возможностью проведения фотолитографических процессов на образцах со значительным рельефом: толщина гетероэпитаксиальных слоев CdHgTe 5-12 мкм. Минимальное расстояние между соседними разрядами, как правило, находится в пределах 10-40 мкм, минимальная ширина токопроводящих дорожек находится в пределах 50-150 мкм. При этом достигается почти двухкратное увеличение ширины фоточувствительной площадки, а дальнейшее уменьшение ширины токопроводящих дорожек и расстояния между соседними разрядами нецелесообразно, так как приводит к незначительному увеличению ширины фоточувствительной площадки при существенном усложнении технологических процессов изготовления приемника.
Для снижения выделяемой тепловой мощности и получения более высокой вольтовой чувствительности участки фоточувствительного слоя (площадки), в которых осуществляется дрейф носителей, выполнены в виде меандра для реализации более высокого темнового сопротивления. В этом случае практически при той же площади фоторезистора его сопротивление увеличивается за счет изменения конфигурации фоточувствительной площадки: фактического увеличения за счет количества колен меандра расстояния между контактами и ширины колена меандра.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства, в котором ширина фоточувствительных площадок в каждом основном и дополнительном разряде увеличена за счет уменьшения ширины их токопроводящих дорожек и расстояния между соседними разрядами.
x
1-x
x
1-x
Многоэлементный кодовый приемник содержит сформированные на подложке 1 фоточувствительные элементы, выполненные из гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe, и состоящие из фоточувствительных площадок 2, расположенных в виде основных и дополнительных разрядов в соответствии с кодом Грея, и токопроводящих дорожек 3. Фоточувствительные площадки 2 выполнены в виде фоторезисторов в форме меандра из твердого раствора CdHgTe и соединены токопроводящими дорожками 3. Токопроводящие дорожки 3 расположены на поверхности нанесенной на подложку 1 гетероэпитаксиальной структуры. Расположение непрозрачных для излучения токопроводящих дорожек на поверхности нанесенной на подложку гетероэпитаксиальной структуры позволяет осуществить электрическую связь между фоточувствительными площадками в пределах одного разряда. Подложка 1 может быть выполнена из AsGa, Si или Ge. Целесообразно использовать подложку из AsGa, так как на ней в настоящее время отработана технология выращивания гетероэпитаксиальных структур CdHgTe с буферными слоями с хорошим согласованием размеров кристаллической решетки и воспроизводимыми фотоэлектрическими параметрами, что позволит получать требуемые характеристики изготавливаемых из них многоэлементных кодовых приемников.
x
1-x
Многоэлементный кодовый приемник работает следующим образом. Лазерное ИК-излучение попадает в виде полоски (на чертеже обозначена пунктирными линиями) на часть фоточувствительных площадок 2, выполненных в виде меандра, и непрозрачных для излучения токопроводящих дорожек всех разрядов 3 и поглощается в рабочем слое фоточувствительного материала CdHgTe на подложке 1 гетероэпитаксиальной структуры. Поглощенное в CdHgTe излучение генерирует в пластине электронно-дырочные пары, которые под действием приложенного электрического поля смещения дрейфуют с амбиполярной подвижностью от области генерации фоточувствительной площадки по участку эпитаксиального рабочего слоя CdHgTe, выполненного в виде меандра, в сторону металлического контакта. Переменное напряжение фотосигнала (вольтовая чувствительность), снимаемое с нагрузочного сопротивления в цепи фоторезистора, пропорционально прикладываемому постоянному напряжению к фоторезистору и времени жизни неосновных носителей заряда эпитаксиальной структуры.
Выделяемая в процессе работы приемника тепловая мощность определяется из выражения:
см
2
P=n(U)/R, где
см
U - прикладываемое напряжения смещения к каждому разряду;
R - темновое сопротивление разряда;
n - количество основных и дополнительных разрядов разрядов.
см
16
-3
4
2
-1
-1
В Таблице 1 приведены результаты расчета темнового сопротивления и выделяемой тепловой мощности для десяти разрядного (n=10) приемника (U=10B на каждом разряде) с фоточувствительной площадкой длиной 6 мм и шириной 0,4 мм из гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe с рабочим слоем электронного типа проводимости, имеющим толщину 6 мкм, концентрацию основных носителей заряда 8·10 см и подвижность 1,5·10 смВс, и для фоточувствительных площадок, выполненной в виде меандра, с различной шириной колена меандра (0,15 мм; 0,1 мм и 0,05 мм). При расчете не учитывался зазор между коленами меандра шириной 3-10 мкм.
Таблица 1
Ширина колена меандра, мм
Количество колен меандра
Тепловое сопротивление разряда, R, кОм
Тепловая мощность, Р, Вт
прототип
-
0,130
7,68
0,15
40
0,926
1,08
0,1
60
2,08
0,48
0,05
120
8,33
0,12
см
Получаем, что при одинаковом напряжении смещения у фоторезистора с фоточувствительной площадкой, выполненной в виде меандра, по сравнению с фоторезистором с фоточувствительной площадкой в стандартном исполнении выделяемая тепловая мощность будет существенно ниже. А так как вольтовая чувствительность фоторезистора прямо пропорционально зависит от U, получаем увеличение чувствительности при фиксированном значении P. Это дает, например, при использовании в качестве системы охлаждения приемника термоэлектрического охладителя, значительный запас в величине чувствительности при работе в условиях повышенной температуры окружающей среды. Причем, как видно из таблицы, независимо от количества колен меандра обеспечивается снижение выделяемой тепловой мощности.
x
1-x
0,184
0,816
n
16
-3
4
2
Предложенная конструкция была разработана для многоэлементного фоторезистивного кодового приемник с двухкаскадным ТЭО на основе гетероэпитаксиальных структур CdHgTe n-типа проводимости, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке из арсенида галлия. В качестве рабочего слоя материала пластины использовалась гетероэпитаксиальная структура CdHgTe с варизонными слоями CdHgTe на верхней и нижней поверхностях рабочего слоя. При комнатной температуре окружающей среды рабочий слой имел концентрацию электронов n=6·10см, подвижность электронов µ=1,6·10 см/В·сек. При повышенной температуре окружающей среды до +60°C при работающем ТЭО обеспечивался спектральный диапазон чувствительности до 11 мкм. Рабочая область фотоприемника была в длину 12 мм и 6 мм в ширину с количеством колен меандра в каждом разряде 40. Общая оптическая длина фоточувствительной площадки в каждом разряде была равна 6 мм.
0,184
0,816
раз
раз
-7
2
Выделение из гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe фоточувствительных элементов фоторезисторов осуществлялось стандартными фотолитографическими способами и последующей дисковой резкой материала подложки гетероэпитаксиальной структуры на блоки десяти разрядных фоточувствительных элементов фоторезисторов. В качестве материала для металлических контакта и непрозрачных для излучения токопроводящих дорожек использовался индий, осаждаемый одновременно на специально подготовленную для них поверхность гетероэпитаксиальной структуры из электролита на основе водного раствора кислого сернокислого индия. Ионами аргона при ускоряющем напряжении 1 кэВ через фоторезистивную маску производилось удаление материалов гетероэпитаксиальной структуры до теллурида кадмия между соседними разрядами в блоках фоточувствительных элементов, имеющих размер 12×6 мм, одновременно с созданием фоточувствительных площадок в виде меандра с шириной колена меандра 125 мкм и зазорами между ними не более 10 мкм. Ширина токопроводящих дорожек была равна 125 мкм, а расстояние между соседними разрядами не более 40 мкм. Выбранная топология фотошаблонов обеспечивала ширину фоточувствительных площадок каждого (L) основного и дополнительного разряда больше ширины их токопроводящих дорожек, величина которой составила в соответствии с выражением L=L·2/n-(a+2·b)=6·2/10-(0,125+2·0,04)=0,995 мм. При одинаковой ширине фоточувствительных площадок и токопроводящих дорожек в данном случае максимальная их ширина будет равна 0,6-0,04=0,54 мм. Таким образом обеспечивалось увеличение площади поглощения излучения в 0,995/0,54=1,84 раза и соответствующее увеличение величины сигнала. В предложенной конструкции кодового приемника расстояние от одного металлического контакта фоточувствительной площадки фоторезистора до другого (суммарная длина колен меандра) составило ≈23 мм при ширине колена меандра 0,125 мм. Величина темнового сопротивления составила 1,8-2,1 кОм в диапазоне температур -50°C…25°C. При такой величине темнового сопротивления шумы приемника определялись шумом Джонса-Найквиста и при рабочем напряжении смещения обеспечивается минимальный вклад генерационно-рекомбинационных шумов в обнаружительную способность фоторезистора. Потери на отражение были снижены использованием просветляющего защитного покрытия, состоящего из последовательно нанесенных на поверхность покрытых собственным анодным окислом чувствительных площадок теллурида кадмия, скандиата иттрия и селенида цинка. Фотоэлектрические параметры такого многоэлементного кодового приемника измерялись при его облучении полоской шириной 0,3 мм импульсного лазерного излучения на длине волны 10,6 мкм при мощности 10 Дж/см и длительностью импульса ≈100 нс. Охлаждение кодового приемника до рабочей температуры (≈-40°C) осуществлялось двухкаскадным термоэлектрическим преобразователем в вакуумной конструкции с входным окном из просветленного на данный спектральный диапазон германия. При температуре окружающей среды 55°C и выделяемой тепловой мощности фоторезисторов всех разрядов 0,26 Вт отношение сигнал/шум в полосе 3 МГц составило не менее 100.
Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает увеличение значения чувствительности фоточувствительного элемента на основе CdHgTe.