Матричный фотоприемник
Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению. Настоящее предложение решает задачу уменьшения числа дефектов матричного фотоприемника ИК диапазона за счет уменьшения количества разрывов индиевых микростолбиков. Был изготовлен и испытан экспериментальный образец предлагаемого матричного фотоприемника, на котором получено уменьшение дефектности матричного фотоприемника.
Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться при изготовлении матричных фотоприемников (ФП) на область спектра 3-5 мкм на основе антимонида индия.
В большинстве современных матричных ФП ИК диапазона матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) изготавливается на основе узкозонных полупроводников (например, InSb, KPT и др.), эффективно преобразующих ИК излучение соответствующего диапазона длин волн в электрический сигнал. Обработка (накопление, усиление и трансляция сигнала потребителям) осуществляется с помощью кремниевой большой интегральной схемы (БИС), приемная часть которой также имеет матричную структуру (соответствующую матрице фоточувствительных элементов) и объединяется с матрицей фоточувствительных элементов посредством индиевых микростолбиков.
Известны матричные фотоприемники диапазона 3-5 мкм, в которых тонкая структура антимонида индия (толщиной 15÷20 мкм) состыкована посредством индиевых микростолбиков с кремниевой БИС считывания. Данный матричный фотоприемник, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип (см. Proceedings of SPIE Vol.4086 (2000), pp.155-157, Fig.1).
Однако узкозонные полупроводниковые фоточувствительные элементы для своей эффективной работы требуют охлаждения, как правило, до температуры жидкого азота 77К. При этом все элементы гибридной микросборки, матричный фотоприемник, например, на основе
антимонида индия и кремниевой БИС обработки, охлаждаются до 77К. Из-за разницы температурных коэффициентов расширения (ТКР) кремния и антимонида индия (ТКР кремния 2·10 -6 1/град., ТКР антимонида индия 5·10 -6 1/град.) возникают механические напряжения, которые могут привести к разрыву индиевых микростолбиков, соединяющих фотодиоды МФЧЭ с соответствующими ячейками накопления кремниевой БИС. Это вызывает появление дефектов и приводит к отсутствию сигналов от соответствующих областей матричного фотоприемника.
При характерном шаге МФЧЭ в 35 мкм и формате матрицы 256×256 элементов размер фоточувствительного поля составляет 9×9 мм. Разница в ТКР кремния и антимонида индия на длине 9 мм приводят к взаимному уходу на величину ˜4÷5 мкм.
При характерной высоте индиевого микростолбика порядка 5÷7 мкм и площади поперечного сечения порядка 100 мкм2 сдвиг может превысить половину линейного размера микростолбика и разрыв крайних микростолбиков становится весьма вероятным.
Настоящее предложение решает задачу устранения влияния различия ТКР материала матричного фотоприемника и кремниевой БИС на механическую прочность индиевых микростолбиков, осуществляющих механическое и электрическое соединение кремниевой БИС и МФЧЭ.
Для решения этой задачи базовая область МФЧЭ крепится (приклеивается) на просветленную на требуемую область спектра несущую подложку из кремния, т.е. из того же материала, из которого изготовлена БИС считывания и обработки сигнала.
В силу того, что несущая подложка из кремния имеет толщину порядка 400 мкм, а МФЧЭ порядка 15÷20 мкм, т.е. в 20÷30 раз тоньше, то коэффициент температурного расширения такой структуры будет определяться ТКР более массивного материала, т.е. кремния.
Таким образом, изменение размеров верхнего (МФЧЭ совместно с подложкой) и нижнего слоя (БИС) матричного фотоприемника с
изменением температуры будут происходить одинаково. Это, в свою очередь, снимет боковую нагрузку с индиевых столбиков и позволит избежать отстыковок и разрыва индиевых микростолбиков при охлаждении матричного фотоприемника.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом рис.1, на котором схематически представлен предлагаемый матричный фотоприемник в разрезе.
Матричный фотоприемник содержит подложку 1 из материала аналогичного материалу БИС считывания (кремний), эта подложка должна быть прозрачна для регистрируемого излучения.
Подложка 1 соединена (склеена) с матрицей фоточувствительных элементов 2. Матрица фоточувствительных элементов объединена с кремниевой БИС считывания 4 посредством индиевых микростолбиков 3.
Заявляемый матричный фотоприемник работает традиционным образом. Регистрируемое излучение поступает на матрицу фоточувствительных элементов через подложку, прозрачную в рабочей области спектра. Сигналы от фоточувствительных элементов матрицы посредством индиевых микростолбиков попадают в БИС считывания, где обрабатываются и выводятся на регистрирующую аппаратуру.
Были изготовлены и испытаны экспериментальные матричные фотоприемники формата 256×256 элементов с шагом 35 мкм с использованием предлагаемой конструкции.
Исследования полученных образцов показали, что разрывы индиевых микростолбиков при захолаживании от комнатной температуры до температуры жидкого азота сократились более чем в два раза.
Матричный фотоприемник, состоящий из соединенных между собой при помощи индиевых микростолбиков большой интегральной схемы (БИС) считывания и обработки фотосигналов и матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) - фотодиодов с общей базовой областью толщиной не менее (2÷3) обратных коэффициентов собственного поглощения и не более диффузионной длины неосновных носителей, отличающийся тем, что базовая область МФЧЭ крепится на просветленную несущую подложку из материала, из которого изготовлена БИС считывания и обработки сигнала.
