Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона (варианты)

Предлагаемая полезная модель относится к инфракрасной (ИК) технике, в частности к фоточувствительным приборам для обнаружения излучения в области спектра 8-14 мкм и 14-19 мкм, и может быть использована в тепловизионных камерах, теплопеленгаторах, приборах ночного видения и др. Техническим результатом при использовании предложенной полезной модели является расширение полосы спектральной чувствительности. Указанный технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство (ФПУ) инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы (ФЧЭ), выполненные из материала PbSnTe в первом варианте конструкции, или материала PbSnGeTe во втором варианте, легированных In, и размещенные непосредственно на Si подложке, в которой под фоточувствительными элементами сформирована область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке сверхбольшой интегральной схемой обработки сигнала. В частных случаях для обоих вариантов ФЧЭ могут быть выполнены в виде фоторезисторов или фотодиодов. Материалы фоторезисторов PbSnTe и PbSnGeTe, легированные In, имеют уникальный механизм рекомбинации, когда генерация носителей с атома индия в решетке PbSnTe и PbSnGeTe приводит к такому изменению зарядового состояния атома индия, что для рекомбинации носитель из зоны проводимости должен преодолеть энергетический барьер, что приводит к возрастанию времени жизни неравновесных носителей, увеличению вольтовой чувствительности и накоплению сигнала и шума непосредственно в ФЧЭ. При работе ФПУ инфракрасного диапазона ввиду отсутствия перед фоточувствительным материалом буферных слоев BaF₂/CaF ₂, предусмотренных в прототипе, не происходит ограничения полосы спектральной чувствительности до диапазона 9-10 мкм. Использование материала PbSnTe, легированного In, в первом варианте, или PbSnGeTe, легированного In, во втором варианте конструкции, обеспечивает обнаружение излучения в области спектра 8-14 мкм и 14-19 мкм.

Предлагаемая полезная модель относится к инфракрасной (ИК) технике, в частности к фоточувствительным приборам для обнаружения излучения в области спектра 8-14 мкм и 14-19 мкм, и может быть использована в тепловизионных камерах, теплопеленгаторах, приборах ночного видения и др.

Известно матричное фотоприемное устройство (МФПУ) ИК диапазона, содержащее фоточувствительные элементы (ФЧЭ) из материала Cd_xHg_1-x Te (x˜0,2) (KPT) на основе фотодиодов с электронной обработкой информации сверхбольшой интегральной схемой (СБИС) мультиплексора (см. проспект фирмы SOFRADIR, 2006 г.). Мультиплексор МФПУ находится в холодной зоне и соединен с фоточувствительным фотодиодным элементом с помощью индиевых столбиков на каждой фоточувствительной площадке - пикселе методом холодной сварки. Поток принимаемого излучения в этом случае попадает на матрицу ФЧЭ через прозрачную в заданном диапазоне (8-14 мкм) подложку. Охлаждение до ˜80 К пикселей осуществляется через кремниевый мультиплексор и индиевые столбики. Недостатками такой конструкции являются:

- область спектральной чувствительности таких МФПУ составляет 8-10,5 мкм и перекрывает только меньшую часть окна прозрачности атмосферы 8-14 мкм. Для тепловидения это означает не только потерю чувствительности к потоку излучения, но и то, что особенно важно, потерю информативности по «холодному» фону окружающей местности, особенно в средних и высоких широтах;

- число неработающих пикселей МФПУ из-за дефектов холодной сварки индиевых столбиков колеблется в диапазоне 3-5%, что имеет особое значение в теплопеленгаторах. Надежность МФПУ гибридного исполнения также невысока из-за нарушения контакта по столбикам при многократных охлаждениях, что особенно ярко проявляется в крупноформатных матрицах;

- расширение области спектральной чувствительности фотодиодных матриц из материала KPT ограничивается резким увеличением темновых токов р-n переходов узкозонных составов, соответствующих чувствительности =12-14 мкм, падением дифференциального сопротивления фотодиодов и связанного с ним увеличения шумов. Согласование низкоомных фотодиодов с КМОП (комплементарная металл-окисел-полупроводник структура) СБИС мультиплексором также вносит дополнительные потери обнаружительной способности.

Известно наиболее близкое по технической сущности к обоим вариантам предлагаемой полезной модели многоэлементное фотоприемное устройство инфракрасного диапазона, содержащее фоточувствительные элементы на основе твердого раствора свинец-олово-теллур (СОТ), легированного индием (PbSnTe<In>), размещенные на диэлектрических слоях BaF₂ /CaF₂, последовательно расположенных на кремниевой подложке, а схема обработки сигналов для повышения радиационной стойкости выполнена в эпитаксиальном слое Si, нанесенном на диэлектрический слой CaF₂, находящийся на той же подложке (см. пат. РФ №2278446, МПК H01L 27/14, опубл. 20.06.06 г.) Недостатком такой конструкции является наличие буферных слоев BaF₂/CaF₂, которое ограничивает полосу спектральной чувствительности МФПУ диапазоном 9-10 мкм, а также усложняет технологический процесс изготовления и увеличивает себестоимость фотоприемного устройства.

Техническим результатом при использовании предложенной полезной модели является расширение полосы спектральной чувствительности.

В первом варианте указанный технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы, выполненные из материала PbSnTe, легированного In, и размещенные непосредственно на Si подложке, в которой под фоточувствительными элементами сформирована область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке СБИС мультиплексора обработки сигнала.

Во втором варианте указанный технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы, выполненные из материала PbSnGeTe, легированного In, и размещенные непосредственно на Si подложке, в которой под фоточувствительными элементами сформирована область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке СБИС мультиплексора обработки сигнала.

В частных случаях для обоих вариантов ФЧЭ могут быть выполнены в виде фоторезисторов или фотодиодов.

Новым в обоих вариантах конструкции является размещение фоточувствительного слоя непосредственно на Si подложке, это по сравнению с прототипом исключает присутствие буферных слоев BaF₂ /CaF₂ и расширяет полосу спектральной чувствительности до 8-14 мкм и 14-19 мкм. Наличие в подложке под ФЧЭ обедненной области обусловлено необходимостью его изоляции от подложки во избежание токов

утечки, а подконтактных областей - для контактов при снятии сигнала, что обеспечивает работоспособность устройства.

Новым во втором варианте является также использование для ФЧЭ материала PbSnGeTe, легированного In, что имеет дополнительные преимущества:

- полное перекрытие по спектральной чувствительности окна прозрачности атмосферы;

- высокое удельное сопротивление пикселей (˜10⁷ Ом), обеспечивающее малое потребление и минимальную мощность тепловой нагрузки;

- высокая вольтовая чувствительность (˜10 ⁶-10⁷) В/Вт;

- высокая (предельная) обнаружительная способность (ограничение шумами фонового излучения);

- удобство согласования с КМОП СБИС мультиплексора;

- интегральное исполнение ФЧЭ с кремниевым мультиплексором.

Материалы фоторезисторов PbSnTe и PbSnGeTe, легированные In, имеют уникальный механизм рекомбинации, когда генерация носителей с атома индия в решетке PbSnTe и PbSnGeTe приводит к такому изменению зарядового состояния атома индия, что для рекомбинации носитель из зоны проводимости должен преодолеть энергетический барьер, что приводит к возрастанию времени жизни неравновесных носителей, увеличению вольтовой чувствительности и накоплению сигнала и шума непосредственно в ФЧЭ. В результате отпадает необходимость в накоплении суммированием сигнала и шума в нескольких площадках (режим временной задержки накопления) при сканировании и упрощается конструкция ФЧЭ.

Введение германия в тройную систему PbSnTe<In> приводит к замедлению падения времени жизни неравновесных носителей с повышением температуры.

Легирование индием делает материал пластичным, и, тем самым, позволяет избежать влияния различных коэффициентов теплового расширения подложки из кремния и материала ФЧЭ.

Высокое темновое сопротивление тонких слоев PbSnTe или PbSnGeTe, легированных In (˜10⁷ Ом), обеспечивает пренебрежимо малые мощности тепловыделения, удобство согласования с микроэлектроникой первичной обработки фотосигналов (мультиплексором).

Использование собственной фотопроводимости PbSnGeTe, легированных In, позволяет поднять рабочую температуру фоторезисторов до 25-35 К.

Высокое время жизни неравновесных носителей 1-50 мс при 25-35 К обеспечивает высокую вольтовую чувствительность фоторезисторов ˜10 ⁷ В/Вт, сложение сигнала и

шума в пикселе и предельно высокую, ограниченную флуктуациями фонового излучения, обнаружительную способность.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлена предлагаемая конструкция обоих вариантов фотоприемного устройства.

Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона содержит фоточувствительные элементы 1 с контактными площадками, размещенные непосредственно на Si подложке 2, причем фоточувствительные элементы 1 выполнены в первом варианте из материала PbSnTe, легированного In, или PbSnGeTe, легированного In, во втором варианте конструкции. В подложке 2 под каждым фоточувствительным элементом 1 расположена область обеднения 3 противоположного подложке типа проводимости, в которой сформированы подконтактные области 4. Контактные площадки ФЧЭ и подконтактные области 4 токопроводящими дорожками соединены со схемой обработки сигнала 5.

При работе ФПУ инфракрасного диапазона происходит засветка ФЧЭ 1, охлажденного до рабочей температуры. Поток излучения проходит через прозрачную в данной области спектра кремниевую подложку 2 и попадает непосредственно на ФЧЭ. При этом от схемы обработки 5 через подконтактные области 4 на области 3 подается напряжение, смещающее р-n переход в подложке в обратном направлении до полного или частичного ее обеднения носителями тока. ФЧЭ 1 оказывается полностью изолированным от подложки 2, что повышает надежность работы устройства. После возникновения фотоотклика в ФЧЭ сигнал подается на схему обработки сигнала. При этом ввиду отсутствия перед фоточувствительным материалом буферных слоев BaF₂/CaF ₂, предусмотренных в прототипе, не происходит ограничения полосы спектральной чувствительности до диапазона 9-10 мкм. Использование материала PbSnTe, легированного In, в первом варианте, или PbSnGeTe, легированного In, во втором варианте конструкции, обеспечивает обнаружение излучения в области спектра 8-14 мкм и 14-19 мкм.

1. Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона, содержащее кремниевую подложку и фоточувствительные элементы из материала PbSnTe, легированного In, соединенные со схемой обработки сигнала, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы размещены непосредственно на кремниевой подложке, в которой под фоточувствительными элементами расположена область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке сверхбольшой интегральной схемой (СБИС) мультиплексора обработки сигнала.

2. Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона по п.1, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы выполнены в виде фоторезисторов.

3. Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона по п.1, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы выполнены в виде фотодиодов.

4. Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона, содержащее кремниевую подложку и фоточувствительные элементы на основе многокомпонентного соединения, соединенные со схемой обработки сигнала, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы выполнены из материала PbSnGeTe, легированного In, и размещены непосредственно на кремниевой подложке, в которой под фоточувствительными элементами расположена область обеднения противоположного подложке типа проводимости с выполненными в ней подконтактными областями, соединенными с размещенной в подложке СБИС мультиплексора обработки сигнала.

5. Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона по п.4, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы выполнены в виде фоторезисторов.

6. Фотоприемное устройство инфракрасного диапазона по п.4, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы выполнены в виде фотодиодов.