Матричное фотоприемное устройство

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 - фотодиодов 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 - фотодиодов 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