Матричные фотоприемники

Статья Фотоника

Матричные фотоприемники

МАТРИЧНЫЕ И СУБМАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ МОДУЛИ П. Гиндин, д.т.н., В. Карпов, к.ф.-м.н., Н. Кузнецов, В. Петренко, к.т.н., В. Семенов, к.т.н., В. Чишко, д.ф.-м.н.,

Рассматриваются номенклатура, принципы построения и основные характеристики разработанных серийно-ориентированных фотоприемных модулей второго поколения.

В 2008 – 2010 г.г. ОАО «Швабе-Фотосистемы» была проведена разработка серийно-ориентированных фотоприемных модулей второго поколения для перспективной тепловизионной аппаратуры [1-5]. Целью разработки являлось создание промышленно-ориентированных конструкций и технологии сборки инфракрасных фотоприемных модулей (ФПМ) второго поколения:

— субматричных фотоприемных модулей формата 4х288 элементов;

— матричных фотоприемных модулей форматов 320х240 и 320х256 элементов.

Работа проводилась в интересах модернизации и импортозамещения ФПМ в тепловизионных каналах для комплексов управления и наблюдения различного назначения.

Разработаны следующие фотоприемные модули второго поколения:

— ФУК 149М и ФУК 154М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х240 и 320х256 элементов диапазона (3…5) мкм;

— ФУК 148М и ФУК 152М – унифицированные субматричные фотоприемные модули форматом 4х288 элементов диапазона (8…10,5) мкм, работающие в двухпроходном режиме временной задержки и накопления;

— ФУК 143М и ФУК 151М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х256 элементов диапазона (8…10,5) мкм.

СОСТАВ ФОТОПРИЕМНЫХ МОДУЛЕЙ

Рассматриваемые модули построены по однотипной схеме.

Типовой состав фотоприемного модуля:

— матрица или субматрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на основе фотодиодов из InSbили КРТ;

— кремниевая БИС считывания (мультиплексор), гибридизированная индиевыми микроконтактами с МФЧЭ и обеспечивающая считывание, предварительное усиление и мультиплексирование сигналов МФЧЭ;

— вакуумный криостатируемый корпус, в котором размещены МФЧЭ, кремниевая БИС, газопоглотители и охлаждаемая диафрагма с оптическим фильтром, обеспечивающим заданный спектральный диапазон чувствительности;

— микрокриогенная система (МКС) охлаждения.

МАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ InSb

Матричные фотоприемники на основе антимонида индия (InSb) предназначены для работы в области спектра (3–5) мкм. Были разработаны матричные фотоприемники форматом (320х240) элементов и форматом (320х256) элементов со строчно-кадровой организацией считывания.

МФЧЭ разработана [4] на основе матрицы фотодиодов из антимонида индия с тонкой базовой областью на кремниевой несущей подложке.

Такая конструкция МФЧЭ обеспечивает согласование по коэффициентам термического расширения МФЧЭ и кремниевую БИС считывания (мультиплексор), что минимизирует влияние термомеханических напряжений на гибридную сборку МФЧЭ с кремниевой БИС считывания. На рис. 1 представлена конструкция кристалла МФЧЭ.

Рис.1. Конструкция кристалла МФЧЭ на основе InSb: 1 – просветляющее покрытие (4000 нм); 2 –Si-подложка; 3 –криоклей; 4 – анодный окисел+просветляющее покрытие; 5 – базовая область n-InSb толщиной 15-20 мкм и n~(0.1-2)•1015 см-3; 6 – пассивирующий слой SiO+анодный окисел; 7 – подслой Cr (40-60 нм)- 80-100 Au; 8 – подслой Ni (~800 нм); In – индиевый микростолбик

Кремниевая БИС считывания (рис.2) разработана по КМОП технологии с нормой проектирования не более 0,8 мкм [4].

БИС обладает необходимыми функциональными возможностями, обеспечивающими:

— режим работы, в котором осуществляется параллельное считывание (на 4/8 выходов) всего кадра форматом 320х240 элементов с высокой чувствительностью и кадровой частотой не менее 200 Гц;

— режим считывания нескольких строк с высокой частотой опроса
не менее 8000 Гц;

— режим «окна» прямоугольной формы, размеры которого задаются извне
с кратностью по сторонам 8 пикселей («окно» располагается в требуемом месте поля матрицы).

Рис.2. Кремниевая БИС считывания

Матричный фотоприемник формируется гибридизацией МФЧЭ с кремниевой БИС считывания при помощи индиевых микростолбиков (рис.3), получаемых с использованием операций «сухого» травления.

Рис.3 Индиевые микростолбики

Далее матричный фотоприемник с датчиками температуры с помощью клеевого соединения размещается на растре контактном (рис.4), который, в свою очередь, является охлаждаемым элементов криостата.

Рис.4 Размещение матричного фотоприемника на растре контактном криостата

МАТРИЧНЫЕ И СУБМАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ КАДМИЙ-РТУТЬ-ТУЛЛУР

Основным материалом для создания быстродействующих фотоприемников спектрального диапазона (8-14) мкм с предельными характеристиками чувствительности является твердый раствор теллуридов кадмия и ртути CdXHg1-XTe (КРТ).

Постоянно прогрессируя, производство КРТ развивалось от метода выращивания объемных кристаллов из расплава при высокой температуре к методам низкотемпературной эпитаксии.

Эпитаксиальные методы являются наиболее пригодными для выращивания слоев КРТ большой площади и, соответственно, для создания матричных фотоприемников.

Основными методами их получения являются жидкофазная (ЖФЭ) и молекулярно-лучевая (МЛЭ) эпитаксия.

В ИФП СО РАН создано отечественное оборудование и разработана промышленно-ориентированная технология молекулярно-лучевой эпитаксии слоев КРТ — базового стратегического материала современной ИК техники для спектрального диапазона 8-14 мкм (ТУ 1778-003-03533808-2003).

При разработке субматричных и матричных фотоприемных модулей диапазона (8-10,5) мкм были использованы следующие фотоприемники.

Фотоприемник линейчатый (субматричный)

Гибридная сборка на индиевых микростолбах фотодиодов из гетеро-эпитаксиальных структур КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (ГЭС КРТ МЛЭ), и кремниевой БИС (мультиплексора). Является охлаждаемой фотоприемной линейкой форматом 288×4 элементов — аналог ФПУ «ID TL015-XX-V3» фирмы»Sofradir». Сборка разработана в ИФП СО РАН (ФП2 КНГУ.927.00.00 ТУ) [6].

         Конструкция линейки фотодиодов представлена на рис.5.

Рис.5 Конструкция линейки фотодиодов ФП2

         На рис.6 приведена топология расположения фотодиодов в фотоприемной плоскости.

Рис.6 Топология фотодиодов в фотоприемной плоскости

Разработанный кремниевая БИС (мультиплексор) под шифром МКМ3 для ФП2 формата 288×4 имеет схему и конструкцию, особенностями которой являются: полностью цифровое управление с помощью параллельного и последовательного портов, деселекция любой дефектной ячейки и реализация функции двунаправленного сканирования.

         Гибридизация линейки фотодиодов с мультиплексором осуществляется при помощи индиевых микростолбиков (рис.7).

Рис.7 Конструкция гибридной сборки ФП2 КНГУ.927.00.00 ТУ

Фотоприемник матричный

В ИФП СО РАН разработан и изготовлен охлаждаемый матричный КРТ-фотоприемник ФП2М КНГУ.928.00.00 ТУ формата 320×256 элементов с размерами пикселей 30×30 мкм, имеющий длинноволновую границу спектральной чувствительности 10,5 мкм [7].

На рис.8 представлена конструкция гибридной сборкифотоприемника ФП2М, а на рис.9 – формат фоточувствительного поля приемника.

Рис.8 Конструкция гибридной сборкифотоприемника ФП2М

Рис.9 Формат фоточувствительного поля ФП2М

Конструктивная схема матричного фотоприемника в вакуумном криостате

Вакуумный криостатируемый корпус (ВКК) представляет собой конструкцию, состоящую из держателя, с закрепленным на нем термодатчиком, корпуса с газопоглотителем (геттером) и крышки с входным окном [1].

Держатель ВКК одновременно является гильзой вытеснителя газовой криогенной машины (ГКМ), входящей в состав МКС. На торце гильзы-держателя закреплен керамический наконечник (растр контактный), который является посадочным местом для блоков фоточувствительных элементов и других охлаждаемых элементов конструкции. Термодатчик используется для управления работой ГКМ.

      На рис.10 представлена компоновка фотоприемника в составе ВКК.

Контактные площадки наконечника соединены с контактными площадками металлокерамического цоколя проводниками (диаметром 0,03 мм) из сплава платина (80 %) –иридий (20 %), обеспечивающим оптимальное соотношение теплопроводности и электрического сопротивления.

Вакуумная откачка криостата производится через медный штенгель, впаянный «твердой» высокотемпературной пайкой (припой ПСР-72). После откачки штенгель перекусывается специальными кусачками, обеспечивающими холодную (диффузионную) сварку стенок штенгеля, в результате которой осуществляется герметизация вакуумного объема ВКК.

Поддержание и восстановление необходимого вакуума полости ВКК обеспечивается периодической активацией газопоглотителей (геттеров), расположенных на внутренней стенке ВКК.

Рис.10 Компоновка фотоприемника в составе ВКК

На рис.11 представлена фотография матричного фотоприемника, собранного в составе ВКК.

Рис.11 фотография матричного фотоприемника,
расположенного в вакуумном криостате

МИКРОКРИОГЕННАЯ СИСТЕМА (МКС) ОХЛАЖДЕНИЯ

С целью решения задачи полного импортозамещения фотоприемных устройств, предназначенных для размещения в тепловизионной аппаратуре различного назначения, в 2011-2013 гг.  ОАО «Швабе-Фотосистемы» » проведена ОКР «Разработка микрокриогенной системы охлаждения интегрального типа, работающей по циклу Стирлинга», шифр «Сапфир–МКС» (ЖИАЮ.702411.001 ТУ) [5].

Целью ОКР являлась разработка моноблочной микрокриогенной системы охлаждения (МКС) интегрального типа с газовой криогенной машиной, работающей по циклу Стирлинга, предназначенной для обеспечения рабочей температуры фоточувствительных элементов (78±2) К. Интегральная стыковка МКС
с криостатами позволила получить заметный выигрыш в энергетических и габаритно-весовых характеристиках разрабатываемых систем.

На рис.12 и рис.13 представлены фотографии основных узлов разработанной МКС, а на рис.14 – фотография внешнего вида МКС.

Рис.12 Компрессорный блок МКС

Рис.13 Блок статора МКС

Рис.14 Внешний вид МКС

Основные параметры МКС представлены в таблице 1.

Таблица 1 Основные параметры МКС

Наименование параметраЗначения параметра
Температура криостатирования(78±2) К
Суммарная тепловая нагрузка при температуре окружающей среды +55 °С.не более 0,5 Вт
Диапазон рабочих температур внешней средыот — 4055 °С до +55 °С
Напряжение электропитания24 (±2) В
Потребляемая мощность:- в период выхода на рабочий режим;- в установившемся режимене более 18 Втне более 11 Вт
Масса МКСне более 0,5 кг

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЕЙ

ФУК 149М и ФУК 154М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х240 и 320х256 элементов диапазона (3…5) мкм.

         Фотографии модулей представлены на рис.15 и рис.16, основные параметры – в таблице 2.

Рис.15 Фотоприемный модуль ФУК 149М

Рис.16 Фотоприемный модуль ФУК 154М

Таблица 2 Основные параметры модулей

Наименование параметраЗначения параметра
ФУК 149МФУК 154М
Материал ФЧЭInSb
Число ФЧЭ (общее)320х240320×256
Размер ФЧЭ, мкм30×30
Плоский угол зрения ФЧЭ, углов. град.32
Область спектральной чувствительности, мкм3,0-5,03,5-5,0
Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм4,5
Вольтовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, В·Вт-11,0∙108
Значение пороговой мощности, Вт/элемент5,0∙10-13
Динамический диапазон выходного сигнала, дБ, не менее60
Номинальное значение частоты выходного сигнала, МГц4
Рабочая температура, К78±2
Система охлаждения:- МКС «МСМГ- 0,6А-0,4/80» в модуле ФУК 149М;- МКС типа «Ricor K508» или «Сапфир – МКС» в модуле ФУК 154М

ФУК 148М и ФУК 152М – унифицированные субматричные фотоприемные модули форматом 4х288 элементов диапазона (8…10,5) мкм, работающие в двухпроходном режиме временной задержки и накопления.

         Фотографии модулей представлены на рис.17 и рис.18, основные параметры – в таблице 3.

Рис.17 Фотоприемный модуль ФУК 148М

Рис.18 Фотоприемный модуль ФУК 152М

Таблица 2 Основные параметры модулей ФУК 148М и ФУК 152М

Наименование параметраЗначения параметра
Материал ФЧЭГЭС КРТ МЛЭТУ 1778-003-03533808-2003
Число ФЧЭ (общее)4×288
Размер ФЧЭ, мкм25×28
Шаг ФЧЭ вдоль линейки, мкм56
Плоский угол зрения ФЧЭ, углов. град.32
Область спектральной чувствительности, мкм7,7-10,5
Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм9,5
Вольтовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, В Вт-11,0∙107
Удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной чувствительности, см∙Гц½ ∙Вт-11,3 1011
Динамический диапазон выходного сигнала, дБ, не менее70
Номинальное значение частоты выходного сигнала, МГц4
Рабочая температура, К78±2
Система охлаждения:- МКС типа «МСМГ 3В-1/80 КВО.0733.000.03» в модуле ФУК 148М;- МКС типа «Ricor K508» или «Сапфир – МКС» в модуле ФУК 152М

ФУК 143М и ФУК 151М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х256 элементов диапазона (8…10,5) мкм.

         Фотографии модулей представлены на рис.19 и рис.20, основные параметры – в таблице 4.

Рис.19 Фотоприемный модуль ФУК 143М

Рис.20 Фотоприемный модуль ФУК 151М

Таблица 2 Основные параметры модулей ФУК 148М и ФУК 152М

Наименование параметраЗначения параметра
Материал ФЧЭГЭС КРТ МЛЭТУ 1778-003-03533808-2003
Число ФЧЭ (общее)320×256
Размер ФЧЭ, мкм30×30
Плоский угол зрения ФЧЭ, углов. град.32
Область спектральной чувствительности, мкм7,7-10,5
Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм9,5
Вольтовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, В Вт-11,0∙107
Значение пороговой облученности, Вт∙см-22,0∙10-7
Динамический диапазон выходного сигнала, дБ, не менее70
Номинальное значение частоты выходного сигнала, МГц4
Рабочая температура, К78±2
Система охлаждения:- МКС типа «МСМГ 3В-1/80 КВО.0733.000.03» в модуле ФУК 143М;- МКС типа «Ricor K508» или «Сапфир – МКС» в модуле ФУК 151М

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ МОДУЛЕЙ

Измерения фотоэлектрических параметров фотоприемных модулей выполняются с использованием унифицированного измерительного стенда, состав и внешний вид которого представлены на рис.21.

         Было разработано специализированное программное обеспечение (СПО), позволяющее производить автоматизированную процедуру измерения фотоэлектрических параметров фотоприемных модулей и регистрацию результатов измерений в электронной базе данных. Интерфейсы СПО для субматричных и матричных фотоприемных модулей в среде операционной системы «Windows» представлены на рис.22 и рис.23.

Рис.21 Стенд измерения фотоэлектрических параметров модулей

Рис.22 Интерфейс специализированного программного обеспечения

(субматричный фотоприемник)

Рис.23 Интерфейс специализированного программного обеспечения
(матричный фотоприемник)

ПРОВОДИМАЯ РАЗРАБОТКА

С 2013 г. ОАО «Швабе-Фотосистемы»  проводит ОКР «Апекс»: «Разработка промышленной технологии изготовления крупноформатных (формат 640х512 элементов) матричных фотоприемных устройств на основе антимонида индия».

Цель работы — создание промышленной технологии изготовления матричных фотоприемных устройств (МФПУ) формата 640х512 элементов, включающей технологию изготовления фоточувствительных матриц на основе антимонида индия с шагом расположения элементов не более 20 мкм.

В ходе выполнения работы должны быть проведены:

— разработка базовой технологии изготовления крупноформатных охлаждаемых матричных фоточувствительных элементов с малым размером пикселя;

— разработка технологии изготовления крупноформатных охлаждаемых мультиплексоров с топологической нормой проектирования менее 1 мкм;

— разработка методов, средств измерений и испытаний крупноформатных матричных фотоприемных устройств на основе антимонида индия;

— оснащение рабочих участков оснасткой и специализированным оборудованием, обеспечивающим необходимые технологические нормы, производительность и качество изделий.

Источник: http://mzsapphir.ru/%D0%BD%D0%B0%D1%83%D0%BA%D0%B0-%D0%B8-%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8/45-%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F-%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0.html

Способ изготовления матричного фотоприемника

Матричные фотоприемники

Изобретение относится к области технологии полупроводниковых приборов, более конкретно, к технологии изготовления матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с p-n-переходами для микрофотоэлектроники инфракрасного (ИК) диапазона. Предлагаемый способ может применяться для изготовления МФЧЭ на основе полупроводникового твердого раствора теллурида кадмия-ртути (КРТ) p-типа проводимости.

Технология изготовления МФЧЭ на основе КРТ включает в себя набор стандартных операций планарной технологии, применяемых для производства полупроводниковых интегральных микросхем. Вместе имеется ряд проблем, которые связаны со спецификой исходного узкозонного материала КРТ.

Матрица фотодиодов выполняется в виде дискретных областей n-типа проводимости в базовом слое КРТ p-типа проводимости. Малая ширина запрещенной зоны вызывает необходимость тщательной пассивации для предотвращения поверхностных утечек, однако в отличие от кремния собственный окисел для этой цели применяться не может.

Несобственные диэлектрические покрытия КРТ также не дают воспроизводимых результатов и температурной стабильности параметров МФЧЭ. Эффективную пассивацию поверхности позволяет получить нанесение близкого по химическому составу и кристаллической структуре диэлектрического слоя теллурида кадмия (CdTe), например, при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

При определенных режимах вблизи границы раздела p-КРТ и CdTe образуется состояние плоских зон или слабое обогащение основными носителями заряда (дырками), что обеспечивает необходимые характеристики и стабильность МФЧЭ.

Эпитаксиальное наращивание слоя CdTe проходит при довольно высокой температуре (200С° и более), что приводит к изменению свойств поверхностного слоя пластины КРТ.

Это увеличивает темновой ток фотодиода и уменьшает фототок, приводя к понижению фотоэлектрических параметров МФЧЭ. Для снижения температуры нанесения диэлектрика может применяться вариант метода «горячей стенки» (Патент РФ на изобретение №2298251, Бюл.

№12 от 27.04.2007, Способ получения тонких пленок теллурида кадмия, автор Головин С.Д. и др.).

С целью получения высоких фотоэлектрических параметров технология изготовления МФЧЭ на основе КРТ должна предусматривать возможность заглубления p-n-переходов под исходной поверхностью, на которую наносится пассивирующее покрытие теллурида кадмия.

Наиболее часто встречается планарная технология изготовления матрицы фотодиодов, при которой все p-n-переходы целиком расположены в одной плоскости на поверхности кристалла и которая включает в себя процессы пассивации поверхности, литографии и локального введения примесных атомов. Один из вариантов такой технологии разработан на фирме SOFRADIR (Франция) (P.Tribolet, P.Chorier, A.Manissandjian, P.Costa, J-P.Chatard. High performance infrared detectors at Sofradir. Proceedings of SPIE, vol.4028 (2000), p.1-18) с использованием ионной имплантации для формирования малоразмерных n+-p-переходов. Он является наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа. Преимуществом прототипа является использование стандартных технологических операций при изготовлении МФЧЭ и, следовательно, универсальность, простота и экономичность.

Ионная имплантация и другие методы получения n+-областей в КРТ p-типа за счет внесения радиационных дефектов, такие как бомбардировка при ионном травлении в плазме Ar или реактивном ионном травлении в плазме Н2/СН4, испытывают сложности с созданием глубоколегированных областей.

В результате p-n-переходы создаются на глубине около 1 мкм в приповерхностном слое полупроводниковой пластины КРТ, и их свойства зависят от характеристик этого слоя.

Близость p-n-переходов к поверхности препятствует использованию эпитаксиального пассивирующего покрытия теллурида кадмия, что является недостатком полностью планарного варианта.

Известна также технология изготовления МФЧЭ на КРТ, разработанная фирмой Raytheon (США) (D.J.Gulbransen, S.H.Black, A.C.Childs, C.F.Fletcher, S.M.Johnson, W.A.Radford, G.M.Vendzor, J.P.Sienick, A.D.Thompson, J.H.Griffith, A.A.Buell, M.F.Vilela, M.D.Newton.

Wide FOV FPAs for a shipboard distributed aperture system. Proceedings of SPIE, vol.5406 (2004), p.305-316), являющаяся аналогом предлагаемой полезной модели.

Она основана на получении при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) двухслойной структуры с p-n-гетеропереходом, формировании массива ФЧЭ по меза-технологии и пассивации поверхности меза-структуры нанесением диэлектрика теллурида кадмия.

При этом глубина залегания p-n-переходов, определяющаяся толщиной верхнего p-слоя, может выбираться в широких пределах, и влияние приповерхностого слоя под диэлектриком на свойства фотодиодов ослабляется.

Другим аналогом является способ, представленный фирмой QinetiQ Ltd, Великобритания (D.J.Hall, L.Buckle, N.T.Gordon, J.Giess, J.E.Hails, J.W.Cairns, R.W.Lawrence, A.Graham, R.S.Hall, C.Maltby, T.Ashley.

Long wavelength infrared focal plane arrays fabricated from HgCdTe grown on silicon substrates. Proceedings of SPIE, vol.5406 (2004), p.

317-322), отличающийся от предыдущего тем, что двухслойный гетеропереход получается при помощи эпитаксии из металлорганических соединений и имеет более традиционную структуру (верхний слой имеет n-тип проводимости).

Преимуществом известных способов-аналогов, основанных на выращивании гетероперехода, получении меза-структуры и нанесении покрытия теллурида кадмия является углубленное расположение p-n-переходов, а недостатком является то, что пассивация КРТ при применяемой в обоих случаях меза-технологии на профилированной поверхности сложнее и менее воспроизводима по сравнению с планарным вариантом, где пассивируемая поверхность является плоской и ровной. К недостаткам также можно отнести необходимость крайне дорогостоящего оборудования для эпитаксиального выращивания гетеропереходов на основе КРТ.

Задачей изобретения является получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления матрицы фотодиодных элементов с n+-p-переходами на основе теллурида кадмия-ртути, включает в себя процессы пассивации поверхности эпитаксиальным наращиванием диэлектрика теллурида кадмия, фотолитографии, химического травления площадок в местах расположения n+-p-переходов на 2-3 микрометра вглубь теллурида кадмия-ртути и ионного легирования или ионной бомбардировки в плазме.

Предлагаемое изобретение представляет собой вариант технологии изготовления МФЧЭ на основе КРТ, который позволяет удалить n+-p-переходы от поверхности и в то же время избежать пассивации меза-структуры.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в известный способ изготовления фоточувствительных матриц ИК-диапазона на основе теллурида кадмия-ртути по планарной технологии, включающий в себя технологические операции пассивации поверхности, получения n+-p-переходов ионным легированием или ионной бомбардировкой в плазме, формирования общего контакта и изготовления индиевых столбчатых контактов, ввели эпитаксиальное наращивание диэлектрического слоя теллурида кадмия в качестве пассивирующего покрытия и дополнительно ввели операцию травления площадок в местах расположения n+-p-переходов на 2-3 микрометра вглубь КРТ.

Применение эпитаксиального слоя теллурида кадмия в качестве пассивирующего покрытия КРТ позволяет получить фотодиоды с высокими значениями шунтирующего сопротивления, что необходимо для нормальной работы схем обработки сигнала. Оно также улучшает воспроизводимость процесса изготовления, повышает однородность и температурную стабильность параметров матриц.

Химическое травление площадок p-n-переходов на 2-3 микрометра вглубь КРТ позволяет удалить базовые p-области фотодиодов от приповерхностного слоя КРТ и получить фотодиоды с малыми темновыми токами и высокой квантовой эффективностью, обеспечивающими высокую обнаружительную способность.

Появляющийся из-за травления рельеф не препятствует процессу гибридизации матрицы с кремниевым мультиплексором, так как высота индиевых столбчатых контактов составляет около 10-12 микрометров.

Изготовление столбиков при этом упрощается, поскольку при фотолитографии по напыленному слою индия становится возможным проводить совмещение не по специальным знакам, а непосредственно по рисунку, образованному углубленными площадками дискретных n-областей фотодиодов.

Сущность изобретения поясняется графическими изображениями, где схематически изображены операции получения p-n-переходов, а именно:

Фиг.1 литография;

Фиг.2 — химическое травление площадки p-n-перехода на глубину 3 микрометра;

Фиг.3 — удаление фоторезиста;

Фиг.4 — ионное легирование.

На фиг.1-4 показаны: 1 — слой фоторезиста; 2 — слой диэлектрического пассивирующего покрытия теллурида кадмия толщиной 0,5 микрометра; 3 — теллурид кадмия-ртути p-типа проводимости; 4 — теллурид кадмия-ртути n+-типа проводимости.

Изготовление матрицы фотодиодных элементов с n+-p-переходами на основе теллурида кадмия-ртути осуществляют следующим образом. На поверхность эпитаксиального слоя КРТ p-типа проводимости с целью пассивации наносят эпитаксиальное покрытие теллурида кадмия толщиной около 0,5 микрометра.

Затем проводят следующие технологические операции: при помощи фотолитографии и химического травления в местах расположения n+-p-переходов площадки протравливают на 2-3 микрометра вглубь КРТ; слой фоторезиста удаляют и проводят ионное легирование или ионную бомбардировку в плазме для получения n+-областй.

При помощи фотолитографии, химического травления, напыления металлического покрытия и «взрыва» фоторезиста формируется общий контакт к p-типу.

Напыляют металлическое покрытие индия толщиной 10-12 микрометров и при помощи фотолитографии и химического травления на местах p-n-переходов и общих контактов формируют индиевые столбики для стыковки с кремниевыми схемами обработки сигнала.

Маскирующим покрытием при проведении ионного легирования служит слой диэлектрика теллурида кадмия.

Способизготовленияматрицыфотодиодныхэлементовсn-р-переходаминаосноветеллуридакадмия-ртути,включающийвсебяпроцессыпассивацииповерхностиэпитаксиальнымнаращиваниемдиэлектрикателлуридакадмия,фотолитографиииионноголегированияилиионнойбомбардировкивплазме,отличающийсятем,чтопередоперациейионноголегированияилиионнойбомбардировкивплазмедополнительнопроводятхимическоетравлениеплощадоквместахрасположенияn-р-переходовна2-3микрометравглубьтеллуридакадмия-ртути.

Источник: https://edrid.ru/rid/219.017.55d8.html

Матричный фотоприемник

Матричные фотоприемники

Изобретение относится к области микрофотоэлектроники, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам. Целью изобретения является повышение фоточувствительности и быстродействия и обеспечение неразрущающего считывания. Матричный фотоприемник (МФП) состоит из фоточувствительных элементов (ФЧЭ), расположенных между сигнальными шинами.

ФЧЭ выполнены из полупроводника, расположенного на полуизолирующей полупроводниковой подложке. Сигнальные шины параллельны одна другой. На обратной стороне подложки под ФЧЭ параллельно сигнальным шинам выполнены потенциальные шины.

Концентрация не заполненных электронами глубоких акцепторных центров в подложке лежит в интервале 51015-1016см-3. Произведение концентрации мелкой допорной примеси в полупроводнике ФЧЭ на его толщину не более 1012см-2. Работа МФП основана на переключении ФЧЭ в высокоомное состояние при пропускании тока выше порогового.

Высокоомное состояние обладает высокой чувствительностью к излучению. При освещении порог открывания ФЧЭ смещается. Считывание ФЧЭ осуществляется последовательным приложением к потенциальным шинам положительного напряжения. Чувствительность МФП может достигать 1012Вт/см2 на элемент.

МФП формата 10 х ФЧЭ может быть опрошен за несколько микросекунд. В МФП обеспечивается неразрушающее считывание, что позволяет запоминать и складывать оптическую информацию. 2 ил.

Изобретение относится к области микрофотоэлектроники, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам, и может быть использовано для регистрации изображения. Целью изобретения является повышение фоточувствительности и быстродействия и обеспечение неразрушающего считывания. На фиг. 1 показана структура матричного фотоприемника (МФП); на фиг.

2 вольт-амперные характеристики (ВАХ) линейки МФП с десятью фоточувствительными элементами при различных условиях считывания. МФП состоит из выполненных из полупроводника фоточувствительных элементов (ФЧЭ) 1, расположенных на полуизолирующей полупроводниковой подложке 2 между сигнальными шинами 3.

На обратной стороне подложки 2 под ФЧЭ перпендикулярно сигнальным шинам 3 выполнены потенциальные шины 4. П р и м е р. МФП выполнен на подложке 1 из арсенида галлия, легированной хромом до концентрации 21016 см-3 (концентрация незаполненных электронами глубоких центров 1016 см-3).

Толщина фоточувствительного элемента 0,09 мкм, концентрации мягкой донорной примеси в нем 1017 см-3, а их произведение 91011 см-2. Технология изготовления включает формирование с помощью фотолитографий сигнальных шин (вытравливание «канавок»), а затем и фоточувствительных элементов с размерами 30 мкм х 10 мкм. Сигнальные шины выполнены вжиганием сплава золото-германий.

На нижней поверхности подложки с помощью фотолитографии по напыленному алюминию формируют потенциальные шины. (Потенциальные шины могут быть сформированы и с помощью ионной имплантации). После этого к сигнальным и потенциальным шинам подводятся выводы.

Работа МФП основана на том, что ФЧЭ управляемо переключается в высокоомное состояние при пропускании через него тока выше порогового значения. Получаемые высокоомные состояния обладают высокой чувствительностью к оптическому излучению.

При приложении сильного электрического поля через ФЧЭ-1 протекает ток выше порогового (4,8 мА) и идет высокополевая инжекция электронов в подложку 2, где электроны захватываются и удерживаются глубокими центрами, тем самым подложка 2 заряжается отрицательно. Слой обеднения после снятия напряжения с сигнальных шин 3 распространяется в ФЧЭ и перекрывает его.

Этот слой обеднения представляет собой потенциальный барьер, препятствующий протеканию тока в ФЧЭ. С ростом напряжения, приложенного к сигнальным шинам, происходит понижение этого потенциального барьера, что увеличивает надбарьерную термоэлектронную инжекцию, а это ведет к экспоненциальному росту тока, а затем к линейному.

После освещения ФЧЭ 1, он тем не менее остается в высокоомном состоянии, как при условии, что к сигнальным шинам 3 приложено напряжение, меньшее или равное 1В. Поэтому можно параллельно подсоединить много ФЧЭ и освещать их. При этом линейка ФЧЭ между шинами 3 остается «непроводящей».

Для считывания на потенциальную шину 4 подают положительное напряжение, ВАХ ФЧЭ, лежащего над потенциальной шиной 4, изменяется. ФЧЭ становится «менее высокоомным» и с него можно в это время считывать информацию, в то время как остальные ФЧЭ остаются в непроводящем состоянии и не влияют на результаты считывания. Матричный фотоприемник работает следующим образом.

Сначала поочередно между сигнальными шинами 3 прикладывается импульс напряжения длительностью 1 мкс и амплитудой 80 В. Все ФЧЭ 1 в результате этого переводятся в высокоомное состояние, чувствительное к свету. ВАХ линейки между двумя сигнальными шинами 3 с десятью ФЧЭ, находящимися в высокоомном состоянии, показана кривой 5 (фиг.2).

Затем к линейке прикладывают напряжение 1 В и измеряют ток. Подавая поочередно на каждую потенциальную шину 4 положительное смещение относительно сигнальных шин 3, можно опрашивать каждый ФЧЭ линейки.

ВАХ линейки, когда опрашивается не освещенный элемент, обозначен позицией 6, а ВАХ линейки, когда опрашиваются элементы, освещенные различными потоками излучения в течение 0,5 с, обозначены позициями 7, 8 и 9. Поток излучения меняется от 110-8 до 1,2 10-8 Вт/см2.

Приложение к сигнальным шинам 3 импульса сильного электрического поля больше 3 кВ/см вновь переводят ФЧЭ в высокоомное состояние. Скорость считывания ФЧЭ высока: «открывание» канала происходит даже при подаче импульсов на потенциальные шины длительностью 10-7 с, т.е. за несколько микросекунд может быть опрошен МФП формата 10х10 ФЧЭ. Освещение матрицы в течение 0,5 с излучением с плотностью потока 10-8 Вт/см2 или 6 1010 фотон/см2 с приводит к смещению порога открывания канала ФЧЭ приблизительно на 10 В, а при плотности потока 210-9 Вт/см2 приблизительно на 3 В. Реально не представляет сложностей зарегистрировать изменения в пороге смещения в 0,001 В, при регистрации порога по напряжению открывания с точностью 1 мВ, чувствительность ФЧЭ матрицы составит 10-12 Вт/см2. МФП имеет простую технологию, отсутствуют перекрестные помехи при опросе, плотность расположения ФЧЭ высока. Кроме того, обеспечивается неразрушающее считывание, что позволяет запомнить и складывать оптическую информацию. МФП обладает высокой чувствительностью.

Формула изобретения

МАТРИЧНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК, содержащий фоточувствительные элементы, включающие полупроводник с потенциальными шинами, компенсированный глубокой акцепторной примесью, сформированный на полуизолирующей подложке и расположенный между сигнальными шинами, отличающийся тем, что, с целью повышения фоточувствительности, быстродействия и обеспечения неразрушающего считывания, сигнальные шины расположены параллельно одна другой, потенциальные шины расположены на обратной стороне подложки под фоточувствительными элементами перпендикулярно сигнальным шинам, при этом концентрация не заполненных электронами глубоких примесных центров лежит в интервале от 5 10 15 до 1016 см -3, а произведение концентрации мелкой донорной примеси в полупроводнике фоточувствительного элемента на его толщину не более 1012 см-2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

Источник: https://findpatent.ru/patent/146/1463083.html

Матричное фотоприемное устройство

Матричные фотоприемники

Заявляемая полезная модель относится к матричным полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному излучению, и может использоваться при изготовлении матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на область спектра 3-5 мкм на основе антимонида индия.

Матричное фотоприемное устройство содержит расположенные в вакуумном корпусе на охлаждаемом держателе сапфировый растр, диафрагму, матричный приемник излучения на основе антимонида индия и кремниевую пластину, на одну сторону которой нанесено просветляющее покрытие, а на другой ее стороне сформирован многослойный интерференционный фильтр.

Расположение многослойного интерференционного фильтра на кремниевой пластине, присоединенной к базовой области матрицы фоточувствительных элементов, обеспечивает уменьшение времени выхода на рабочий режим, увеличение чувствительности и механической прочности МФПУ за счет уменьшения охлаждаемой массы, поглощения фонового паразитного излучения, попадающего внутрь диафрагмы от внутренних элементов конструкции, и исключением из конструкции фильтра, закрепленного на высокой тонкостенной диафрагме.

Заявляемая полезная модель относится к матричным полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться при изготовлении матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на область спектра 3-5 мкм на основе антимонида индия.

Известно матричное фотоприемное устройство, в котором гибридизированная с матрицей фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на основе InSb большая интегральная схема (БИС) считывания приклеивается на сапфировый растр, расположенный на держателе МФПУ в вакуумном корпусе.

На растр также приклеивается охлаждаемая диафрагма, на которой закреплен оптический фильтр (см. К.О. Болтарь и др. «Характеристики охлаждаемой диафрагмы МФПУ среднего инфракрасного диапазона спектра», ж. Прикладная физика, 2014, 3, с. 67-70).

Для работы в окне прозрачности атмосферы 3-5 мкм спектральная характеристика чувствительности антимонида индия не является оптимальной. Интерференционный фильтр формирует оптимальную спектральную характеристику МФПУ и располагается на охлаждаемой диафрагме.

Однако наличие фильтра на охлаждаемой диафрагме увеличивает охлаждаемую массу, что приводит к увеличению времени выхода на рабочий режим.

Известно наиболее близкое по технической сущности к заявляемому матричное фотоприемное устройство, в состав которого входят матрица фоточувствительных элементов на основе фотодиодов из InSb, кремниевая БИС считывания (мультиплексор), гибридизированная индиевыми микроконтактами с МФЧЭ и обеспечивающая считывание, предварительное усиление и мультиплексирование сигналов МФЧЭ, вакуумный криостатируемый корпус, в котором размещены МФЧЭ, кремниевая БИС, охлаждаемая диафрагма с оптическим фильтром, обеспечивающим заданный спектральный диапазон чувствительности (см. П. Гиндин и др. «Матричные и субматричные фотоприемные модули», ж. Фотоника 6/42/2013, с. 62-72). В такой конструкции к базовой области МФЧЭ присоединена кремниевая пластина, на обе стороны которой нанесено просветляющее покрытие, а оптический фильтр, выполненный в виде пластины с интерференционным покрытием, закреплен на охлаждаемой диафрагме. При этом наличие фильтра на диафрагме также увеличивает охлаждаемую массу и время выхода на рабочий режим. Другим недостатком обеих конструкций является невозможность подавления фоновых паразитных излучений широкого спектрального диапазона от внутренних элементов конструкции, проникающих внутрь диафрагмы через прорези для вывода контактов с мультиплексора. Наличие паразитного излучения приводит к уменьшению времени накопления и, как следствие, ухудшению чувствительности МФПУ. Для уменьшения этого эффекта применяется дополнительный экран и растр сложной конфигурации, что усложняет конструкцию и технологию сборки МФПУ.

Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является снижение охлаждаемой массы МФПУ, а также устранение фоновых паразитных излучений от внутренних элементов конструкции, что особенно важно при работе с малыми относительными отверстиями диафрагмы, так как приведет к увеличению времени накопления и, как следствие, к увеличению чувствительности МФПУ.

Техническим результатом при ее использовании является уменьшение времени выхода на рабочий режим, увеличение чувствительности и механической прочности МФПУ.

Указанный технический результат достигается тем, что в матричном фотоприемном устройстве, содержащем расположенные в вакуумном корпусе на охлаждаемом держателе сапфировый растр, диафрагму, фильтр, матричный приемник излучения на основе антимонида индия, состоящего из соединенных между собой при помощи индиевых микростолбиков БИС считывания и обработки фотосигналов и матрицы фоточувствительных элементов диодов с общей базовой областью, которая присоединена (приклеена) к кремниевой пластине, на которой предварительно на одну сторону которой нанесено просветляющее покрытие, а на другой ее стороне сформирован многослойный интерференционный фильтр.

Новым в заявляемой полезной модели является размещение многослойного интерференционного фильтра на кремниевой пластине с просветляющим покрытием, что по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: меньшую охлаждаемую массу, из-за чего уменьшается время выхода на рабочую температуру; большую механическую прочность МФПУ, которая обеспечивается устранением фильтра на высокой диафрагме и увеличение чувствительности за счет увеличения времени накопления фототока, так как интерференционный фильтр, расположен в непосредственной близости от базовой области матрицы фотодиодов и эффективно поглощает фоновое паразитное излучение от внутренних элементов конструкции, попадающее внутрь диафрагмы.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства.

Матричное фотоприемное устройство содержит расположенные в вакуумном корпусе 1 на охлаждаемом держателе 2 сапфировый растр 3, диафрагму 4 и матричный приемник излучения 5 на основе антимонида индия, который состоит из матрицы фоточувствительных элементов с общей базовой областью и БИС считывания и обработки фотосигналов 6, соединенных между собой при помощи индиевых микростолбиков 7. К базовой области МФЧЭ 5 присоединена кремниевая пластина 8, на одну сторону которой нанесено просветляющее покрытие 9, а на другой стороне сформирован многослойный интерференционный фильтр 10.

В процессе работы МФПУ происходит охлаждение расположенных на держателе элементов конструкции до 77 К. Время выхода на заданный режим определяется теплоемкостью и массой охлаждаемых элементов. В заявляемой конструкции из охлаждаемой массы исключается пластина охлаждаемого фильтра, что уменьшает время выхода устройства на рабочий режим.

Регистрируемое излучение поглощается к базовой области матрицы фотодиодов, проходя через закрепленную (приклеенную) к ней кремниевую пластину с нанесенным на нее с одной стороны просветляющим покрытием, а с другой стороны- многослойным интерференционным фильтром, формирующим оптимальную спектральную характеристику МФПУ, причем фильтр может быть расположен на любой стороне пластины, так как это не влияет на достижение технического результата. Сигналы от фотодиодов матрицы посредством индиевых микростолбиков попадают в БИС считывания, где обрабатываются и выводятся на регистрирующую аппаратуру. В условиях эксплуатации прибора возможны механические вибрации, поэтому исключение пластины фильтра, закрепленной на тонкостенной диафрагме, обеспечивает повышение механической прочности МФПУ. Кроме того, интерференционный фильтр, расположенный непосредственно на матричном фотоприемнике, поглощает паразитное излучение от элементов конструкции, проходящего через прорези в диафрагме, что приводит к увеличению времени накопления и, как следствие, увеличение чувствительности МФПУ.

Были изготовлены и испытаны экспериментальные МФПУ на основе фотодиодов InSb формата 320×256 элементов с шагом 35 мкм с использованием предлагаемой конструкции. В вакуумном корпусе на охлаждаемом держателе монтируется сапфировый растр размерами 12,8×10,13 мм2 и толщиной 0,4 мм.

На растр приклеивается БИС считывания, соединенная индиевыми столбиками с матрицей фоточувствительных элементов, к базовой области которой посредством приклейки криогенным клеем присоединена кремниевая пластина.

Толщина базовой области МФЧЭ 10-20 мкм обеспечивает эффективную диффузию генерированных светом носителей к p-n — переходу фотодиода и генерирование фотосигнала.

На одной кремниевой пластины ионнотермическим методом нанесено просветляющее покрытие из моноокиси кремния, а на другой сформирован многослойный интерференционный фильтр, например, путем последовательного напыления слоев Ge и Al2O3. Рабочая температура (вблизи температуры жидкого азота) обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения.

Испытания полученных образцов МФПУ показали, что время выхода на рабочую температуру по сравнению с прототипом уменьшилось в среднем на 20%, время накопления увеличилось в среднем в 1,4 раза.

Матричное фотоприемное устройство, содержащее расположенные в вакуумном корпусе на охлаждаемом держателе растр, диафрагму, фильтр, матричный приемник излучения на основе антимонида индия, состоящий из соединенных между собой при помощи индиевых микростолбиков большой интегральной схемы считывания и обработки фотосигналов и матрицы фоточувствительных элементов диодов с общей базовой областью, к которой присоединена кремниевая пластина с просветляющим покрытием, отличающееся тем, что на поверхности кремниевой пластины с одной стороны сформирован многослойный интерференционный фильтр.

РИСУНКИ

Источник: https://poleznayamodel.ru/model/15/154473.html

Refy-free
Добавить комментарий