WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра на основе фотодиодов из CdxHg1-xTe © В.И. Стафеев¶, К.О. Болтарь, И.Д. Бурлаков, В.М. Акимов, Е.А. Климанов, Л.Д. Сагинов, В.Н. Соляков, Н.Г. Мансветов, В.П. Пономаренко, А.А. Тимофеев, А.М. Филачёв Государственный научный центр «НПО „Орион“», 111123 Москва, Россия (Получена 2 ноября 2004 г. Принята к печати 13 января 2005 г.) Обзор содержит результаты исследований и разработок в ФГУП «НПО „Орион“» фотодиодов и матричных фотоприемников на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм на основе твердых растворов теллуридов кадмия и ртути. Представлены структура, топология и параметры разработанных фотодиодов, фотодиодных матриц „смотрящего“ и многорядного типов, структура и электрические схемы созданных кремниевых мультиплексоров матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Приведены параметры фотодиодных матриц различных форматов и созданного макета тепловизора на основе МФПУ формата 128128 элементов.

Подавляющее большинство современной оптико- с энергией ионов порядка нескольких сотен эВ [4,5].

электронной аппаратуры инфракрасного (ИК) диапазона В последнем случае ионы аргона в месте падения спектра создается с использованием фотоприемников на расплавляют микрообласти КРТ, что приводит к резкому основе твердого раствора теллуридов кадмия и рту- возрастанию локальной концентрации „свободных“ атомов ртути, быстро диффундирующих по междоузлиям ти (КРТ), несмотря на технологическую сложность и в глубь кристалла и компенсирующих имевшиеся вавысокую цену этого материала. Основными причинами кансии. При быстром охлаждении возникший избыток являются уникальные свойства CdxHg1-x Te [1–5]:

межузельной ртути приводит к инверсии типа проводи— КРТ с оптимальными свойствами для регистрации мости [8].

ИК излучения в основных окнах прозрачности земной Электроны в КРТ при температуре жидкого азота имеатмосферы может быть получен простым изменением ют высокую подвижность порядка (3-5)·105 см2/(В ·с), соотношения кадмия и ртути в этом твердом растворе:

поэтому длина диффузионного смещения может диапазон 1-2.5мкм при x 0.4, 3-5мкм при x 0.3, достигать нескольких сот микрон. В диодах прохождение 8-12 мкм при x 0.2 (рис. 1);

тока в пропускном направлении сопровождается пере— фотоприемники из КРТ на все спектральные дианосом инжектированных из p-n-перехода неосновных пазоны могут изготавливаться по единой планарной носителей на достаточно большие расстояния. Они технологии;

рождаются в n+-области с поглощением энергии, —КРТ может быть как n-типа проводимости с малой несколько большей ширины запрещенной зоны, концентрацией носителей, так и p-типа с высоким струккоторую затем отдают при рекомбинации у второго турным совершенством. Это обеспечивает возможность контакта. Происходит охлаждение n+-области и нагрев создания как высокоэффективных фоторезисторов на области второго контакта — инжекционный перенос диапазон до 15 и более мкм, так и фотодиодов с высоким тепла, предсказанный одним из авторов в 1960 г. [9].

быстродействием;

Экспериментально этот эффект открыт и исследован в — на основе КРТ возможно создание транзисторов [6,7];

— КРТ может выращиваться как в виде монокристаллов, так и в виде тонких эпитаксиальных слоев на прозрачных в требуемой области спектра подложках, что обеспечивает возможность создания крупноформатных диодных фоточувствительных матриц;

— фотоприемники на основе КРТ имеют намного большую стойкость к проникающим излучениям благодаря большей дефектности структуры, чем приборы на основе антимонида индия, кремния и других полупроводниковых материалов.

Диоды создавались на основе КРТ p-типа проводимости с концентрацией дырок порядка 1016 см-3 легированием ионами бора с энергией 160 кэВ или двухзаРис. 1. Спектральные зависимости обнаружительной способрядного алюминия, либо обработкой в плазме аргона ности фотоприемников на основе соединения кадмий-ртуть¶ теллур (КРТ).

E-mail: root@orion.extech.ru 1258 В.И. Стафеев, К.О. Болтарь, И.Д. Бурлаков, В.М. Акимов, Е.А. Климанов, Л.Д. Сагинов...

1974 г. [10], при этом было достигнуто дополнительное охлаждение ниже температуры жидкого азота до 5 K.

Диоды создавались также и с использованием барьеров Шоттки. Для улучшения качества границы раздела между металлом и полупроводником наносился туннельно-прозрачный слой диэлектрика Al2O3 толщиной 3-5нм [6,7]. В такой структуре [7] плотность поверхностных состояний вблизи середины запрещенной зоны составляет (2-3) · 1011 см-2эВ-1, плотность медленных поверхностных состояний 1010 см-2, плотность положительного встроенного заряда (3-5) · 1010 см-2.

Фотодиоды в матричных и малоэлементных фотоприемных устройствах имели размеры p-n-переходов от 1515 до 300300 мкм, а в одноэлементных приемниках излучения до 22 мм и более. Эффективные Рис. 3. Вольт-амперная характеристика фотодиода, изготовразмеры фоточувствительных площадок больше размеленного на объемных монокристаллах КРТ (1), и дифференциров p-n-переходов, поскольку созданные освещением альное сопротивление Rd (2).

носители собираются p-n-переходом из окружающей области в пределах длины диффузионного смещения или расстояния до второго контакта. На рис. 2 представлено типичное распределение фоточувствительности диода.

При размере p-n-перехода 20 мкм реальный размер фоточувствительной площадки по уровню 0.5 составляет 35-40 мкм [11].

Удельная обнаружительная способность D и токовая фоточувствительность Si несколько больше, а обратные токи меньше у фотодиодов, изготовленных в слоях КРТ, выращенных методом жидкофазной эпитаксии, чем у фотодиодов, изготовленных в слоях, полученных другими методами эпитаксии [12].

Спектральные зависимости обнаружительной способности фотоприемников на основе соединения Рис. 4. Частотные характеристики фотодиодов в гетеродинкадмий-ртуть-туллур представлены на рис. 1. Вольт- ном режиме. Мощность гетеродинного излучения Pb, мВт:

амперная характеристика фотодиода, изготовленного на 1, 2 — 0.5, 3 — 1; ток фотодиода I, мА: 1 — 0.5, 2 — 5, 3 — 10.

объемных монокристаллах КРТ, представлена на рис. 3.

В режиме прямого детектирования быстродействие фотодиодов достигает нескольких десятков МГц, в гетеродинном режиме — до 1 ГГц. Мощность, эквивалентная мощности шума NEP (Noise equivalent power) на длине волны 10.6 мкм при температуре жидкого азота, лучше чем значение 10-19 Вт/Гц [4,5,13]. Частотные характеристики фотодиодов в гетеродинном режиме представлены на рис. 4.

Бытующие представления о нестабильности КРТ и фотоприемников на его основе, например, изложенные в работе [14], связаны, по нашему мнению, с нестабильностью поверхности из-за ее плохой подготовки и защиты.

Разработанные нами методы предварительной обработки поверхности КРТ и технология нанесения защитного диэлектрического покрытия обеспечили создание высокостабильных и устойчивых к воздействию повышенной температуры фотодиодов. Длительное (до 10 лет) хранение при температурах вплоть до 80C не приводиРис. 2. Распределение фоточувствительности фотодиода на ло к ухудшению параметров фотодиодов. Допустимая основе КРТ.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра... температура длительного хранения фотодиодов достига- для всех диодов p-слою создавались на свободных от ет +70C [15,16]. Проведенные в последнее время иссле- p-n-переходов периферийных областях эпитаксиальнодования в ИФП СО РАН подтвердили наши данные [17]. го слоя. К n-областям диодов создавались индиевые Матричные фотоприемные устройства (МФПУ) на столбчатые микроконтакты с размером основания около основе КРТ наиболее полно обеспечивают выполнение 2020 мкм и высотой 12 мкм. Они обеспечивали стытребований, предъявляемых к современной тепловизион- ковку с аналогичными микроконтактами растра на сапной аппаратуре по кардинальному уменьшению весога- фировой подложке или на кристалле кремниевой микробаритных характеристик, увеличению дальности видения схемы мультиплексора. Механическая и электрическая и др. Двумерные матричные фотоприемные устройства стыковка проводилась методом „холодной“ компрес(focal plane array — FPA) имеют формат M N элемен- сионной сварки индиевых микроконтактов (flip-chip).

тов, где M и N — числа элементов в строках и столбцах Совмещение многих тысяч индиевых микроконтактов соответственно. Разработаны фотоприемные устройства кристалла матрицы фотодиодов и кремниевого кридвух типов: „смотрящие“ и многорядные.

сталла микросхемы осуществлялось с использованием МФПУ смотрящего типа (staring focal plane array) специально разработанного инфракрасного микроскопа содержат десятки и сотни тысяч элементов, причем с визуализацией стыкуемых микроконтактов через кремобычно M N. Системы для ИК диапазона с примене- ниевый кристалл микросхемы.

нием смотрящих МФПУ для получения теплового изоб- Одним из важнейших параметров матричных фоторажения объектов не требуют оптико-механического приемных устройств является величина межэлементной сканирования, что существенно упрощает и удешевляет взаимосвязи. Сильная взаимосвязь может привести к сутепловизионный прибор.

щественному размытию тепловизионного изображения.

Многорядные МФПУ предназначены для систем, в Возможны три типа взаимосвязи: оптическая, электрикоторых применяется временная задержка и накопле- ческая и фотоэлектрическая. Оптическая взаимосвязь ние фотосигналов (режим ВЗН). Суть режима ВЗН определяется качеством оптического тракта тепловизизаключается в суммировании (накоплении) сигналов от онного устройства. Фотоэлектрическая связана с диффувсех M элементов каждой строки, причем задержка зией фотогенерированных носителей в общем полупросчитывания суммируемых от каждого элемента строки водниковом слое матрицы фотодиодов. Электрическая сигналов согласована со скоростью сканирования изобвзаимосвязь определяется падением напряжения при ражения вдоль этой строки. Усложнение тепловизионпротекании тока от p-n-переходов к неактивным контакной системы вследствие введения оптико-механического там, а также взаимосвязью между входными каналами развертывающего устройства окупается повышением откремниевой охлаждаемой микросхемы.

ношения сигнал / шум в M1/2 раз, поскольку сигнал Для контроля взаимосвязи между элементами в рабоувеличивается в M раз, а шум в M1/2 раз. Кроме чем режиме МФПУ пятно оптического зонда или полоса того, M-кратное резервирование повышает временную ИК излучения, формируемая оптической щелью, фокустабильность и надежность МФПУ.

сируется на один из элементов матрицы и измеряется МФПУ включает матрицу фоточувствительных элесигнал расположенных рядом элементов. При перемементов из КРТ и кремниевые микросхемы считывания щении оптического зонда вдоль освещаемого элемента и предварительной обработки фотосигналов, располагаепо зависимости фотосигнала от координаты оптического мые в фокальной плоскости вакуумированного корпуса, зонда определяется эффективный размер фоточувствиобеспечивающего защиту и стыковку с системой охлательной площадки (рис. 2). Ширина оптического зонда в ждения до требуемой рабочей температуры.

области длин волн 2-14 мкм по уровню 0.5 составляет Матрицы фоточувствительных элементов изготавлиоколо 15 мкм, а минимальный шаг перемещения — вались на основе эпитаксиальных слоев КРТ p-типа 3 мкм. Величина взаимосвязи в МФПУ при размере проводимости с концентрацией дырок около 1016 см-3, p-n-переходов элементов 2020 мкм и шаге 35 мкм, формированием в них матриц фотодиодов по планаропределенная посредством соответствующей обработки ной групповой технологии. Применялись эпитаксиальфотосигнала [11], была в пределах 5%. Наличие на ные слои, выращиваемые различными методами: жидповерхности КРТ паразитного приповерхностного слоя кофазной эпитаксией толщиной 15 мкм на подложке инверсного типа проводимости может приводить к увеиз Cd0.96Zn0.04Te (разработчик — ФГУП „Гиредмет“), личению электрической взаимосвязи.

молекулярно-лучевой эпитаксией толщиной 7-10 мкм Кремниевые микросхемы считывания и предварительна подложке из GaAs с подслоем CdZnTe (разработной обработки фотосигналов более перспективно выполчик — ИФП СО РАН) или эпитаксией из металлорганять по технологии МОП или КМОП1 по сравнению нических соединений толщиной 10-12 мкм на подложке с технологией ПЗС2. В этом варианте обеспечивается из GaAs с подслоем CdZnTe (разработчики: Институт более высокая величина реализуемой емкости накопихимии высокочистых веществ РАН и Нижегородский тельных МОП конденсаторов, что важно при длинах государственный университет им. Н.И. Лобачевского).

Технология КМОП — технология производства комплиментарных Поверхность КРТ защищалась слоем диэлектрика.

МОП (CMOS process — complementary metal-oxide-semiconductor В окнах защитного пассивирующего слоя формироваprocess).

лись p-n-переходы, а омические контакты к общему ПЗС — приборы с зарядовой связью (CCD–charge-coupled devices).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1260 В.И. Стафеев, К.О. Болтарь, И.Д. Бурлаков, В.М. Акимов, Е.А. Климанов, Л.Д. Сагинов...

волн излучения выше 5 мкм, при которых велика фоновая засветка. Кроме того, достигается большой коэффициент заполнения площади ячейки накопительным конденсатором; более плотная упаковка; более высокие и однородные электрические параметры при 77 K; более низкие управляющие напряжения; больший динамический диапазон.

В разработанных МФПУ кремниевый МОП мультиплексор выполняет накопление сигналов от отдельных фотодиодов на соответствующих конденсаторах, усиление, параллельный перенос накопленного заряда с конденсаторов накопления на конденсаторы хранения и последовательное считывание информации с конденсаторов хранения на выводы из холодной зоны для ее последующей обработки. Структурная схема кремниевого МОП мультиплексора представлена на рис. 5.

Таким образом, реализуется пространственное разделение операций накопления и считывания информации.

В мультиплексорах применены двухфазные динамические регистры сдвига. Ввод фототока в мультиплексорах Рис. 5. Структурная схема кремниевого МОП мультиплекосуществляется прямой инжекцией. Коэффициент пересора.

дачи тока в накопительные конденсаторы выше 0.95, при Рис. 6. Схема электрическая МОП мультиплексора.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра... они могут возрастать в 1.5-2 раза. Снижение уровня таких шумов удалось получить проведением операций формирования диэлектрических слоев и отжига ионно-имплантированных областей при температурах не выше 950C.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.