ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК H01L31/09 

Предлагаемое изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного излучения.

Известен охлаждаемый приемник ИК излучения с засветкой с обратной стороны (см. Каталог фирмы EG & G RETICON 055-0298, March 1992, с.180-186). Приемник содержит сосуд Дьюара, образованный внешним и внутренним охлаждаемым цилиндрами, в котором на торце охлаждаемого цилиндра на керамическое основание установлен полый держатель с прямоугольным отверстием. На верхней плоскости полого держателя с внутренней стороны закреплен кристалл с фотоприемной матрицей (ФПМ), представляющий собой пластину, на которой с одной стороны в центре располагаются фоточувствительные элементы (ФЧЭ) и по краям мультиплексоры и контактные группы сигнальных выводов, а с другой стороны верхней плоскости, по периметру которой произведено крепление, обеспечивающее тепловой контакт, образовано активное поле ФЧЭ соответствующего формата.

Также известен приемник ИК излучения, содержащий сосуд Дьюара, образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен кристалл с ФПМ и схемой считывания сигнала (ЕР N 0518026, МПК Н 01 L 31/024, 1992 г.). Причем на охлаждаемом цилиндре устанавливается сначала охлаждаемая пластина, изготовленная из керамического материала или металла, а затем уже кристалл ФПМ.

Традиционная схема фоторезистивного многоэлементного фотоприемного устройства содержит фотоприемник, многоканальный предусилитель с источником смещения (питания) фоторезистора и малогабаритную систему охлаждения с блоком питания и управления. Значительные токи смещения каждого фоточувствительного элемента и связанное с ними тепловыделение приводит к необходимости увеличения мощности системы охлаждения для поддержания температуры на уровне 80 К. Тепловыделение и теплоприток по токоподводам (проводам) из теплой зоны в холодную зону фоточувствительного элемента, ограничивают допустимое число пикселей (фоточувствительных площадок фоторезистора из материала Cd_xHg-_1-xTe при х~0.2) величиной 128-196 элементов. При этих предельных значениях числа пикселей фотоприемное устройство на фоторезисторах из CdHgTe диапазона 8-14 мкм становится громоздким и энергоемким, что накладывает серьезные ограничения на его использование.

Для устранения этих ограничений необходимо решить следующие задачи: снизить ток смещения одного пикселя приблизительно в 10-50 раз, повысить вольтовую чувствительность, разработать охлаждаемый мультиплексор, не вносящий дополнительных шумов фоторезистора с частичным оцифровыванием сигнала в холодной зоне, устранить постоянную составляющую сигнала с фоторезистора, определяемую током смещения, разработать контакты для стыковки фоторезистора с мультиплексором.

Поставленная задача решается за счет того, что в соответствии с сущностью изобретения фотоприемное устройство содержит, по крайней мере, один фоточувствительный элемент, представляющий собой многослойную полупроводниковую гетероэпитаксиальную структуру на основе трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe, состоящую из рабочего слоя постоянного состава, соответствующего спектральной области чувствительности устройства, размещенного между двумя варизонными слоями того же полупроводникового материала, при этом градиент состава варизонных слоев выбран из условия обеспечения увеличения ширины запрещенной зоны от рабочего слоя к внешним краям варизонных слоев, мультиплексор, обеспечивающий считывание и обработку сигнала фоточувствительного элемента, и интерфейс, выполненный в виде интегральной схемы, управляющей мультиплексором и выравнивающей каналы усиления и преобразования мультиплексора, при этом фоточувствительный элемент и мультиплексор размещены в вакуумной камере напротив входного окна в тепловом контакте с холодным пальцем от холодного пальца газовой криогенной машины, например стирлинго или любой другой микрокриогенной системы, контакты к фоточувствительному элементу выполнены в виде индиевых столбиков и соединены с ответными индиевыми столбиками мультиплексора, а интерфейс расположен в теплой зоне.

Гетероэпитаксиальная структура может содержать нижний варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочий слой Cd_xHg_1-xTe, где х=0,3±0,05, и верхний варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.

В другом варианте исполнения гетероэпитаксиальная структура содержит нижний варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,215±0,05 в направлении от подложки, рабочий слой Cd_xHg_1-xTe, где х=0,215±0,05, и верхний варизонный слой Cd_xHg_1-хTe, где х изменяется от 0,215±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.

По крайней мере, один фоточувствительный элемент сформирован на подложке, выполненной из CdZnTe или GaAs или Si.

Между подложкой и нижним варизонным слоем фоточувствительного(ных) элемента(ов) может быть размещен буферный слой из CdTe и ZnTe или слой CdZnTe.

Над верхним варизонным слоем, по крайней мере, одного фоточувствительного элемента может быть выполнен слой широкозонного полупроводника постоянного состава CdxHg_1-xTe, где х=0,6-1.

Гетероэпитаксиальная структура может быть получена методом молекулярно-лучевой, или жидкофазной, или мос-газовой эпитаксии.

По крайней мере один фоточувствительный элемент устройства может быть включен в плечо мостовой схемы, три других плеча которой состоят из идентичных равных по темновому сопротивлению элементов, не чувствительных к излучению, например затененных.

В одном из вариантов исполнения контакты к каждому фоточувствительному элементу выполнены в виде индиевых столбиков и соединены с ответными индиевыми столбиками мультиплексора методом перевернутого монтажа холодной сваркой (флип-чип) и расположены на глубине, превышающей толщину верхнего варизонного слоя к поверхности, предварительно обработанной ионами аргона, содержащей барьер nn⁺ в рабочем слое постоянного состава - запирающий контакт.

В другом варианте исполнения контакты к каждому фоточувствительному элементу выполнены в виде индиевых столбиков и соединены с ответными индиевыми столбиками мультиплексора методом перевернутого монтажа холодной сваркой (флип-чип) и расположены на глубине меньше толщины верхнего варизонного слоя, обеспечивающей запирающий контакт без обработки подконтактной поверхности ионами аргона.

Фотоприемное устройство может содержать фоточувствительные элементы, образующие линейку, или билинейку, или многорядную линейку, или многоэлементную матрицу элементов.

На фиг.1 представлена структура фотоприемного устройства, где 1 - холодная диафрагма, 2 - подложка, которая может быть выполнена из GaAs, 3 - буферный слой - из CdZnTe, 4 - нижний варизонный слой, 5 - рабочий слой, 6 - верхний варизонный слой, 7 - широкозонный слой постоянного состава, 8 - просветляющее покрытие, 9 - индиевый столбик, контакт к фоточувствительному элементу, 10 - индиевый столбик, контакт к мультиплексору, 11 - кремниевый мультиплексор, 12 - палец газовой криогенной машины, 13 - индиевый контакт, 14 - окно диафрагмы.

В процессе работы фотоприемного устройства поток излучения с энергией кванта hv≥E_g через просветляющее покрытие окна диафрагмы 14 проходит через подложку из GaAs 2 практически без поглощения, проходит через буферный слой CdZnTe - 3, поглощается частично в нижнем варизонном слое 4 поглощается в рабочем слое 5 и в в верхнем варизонном слое 6. Из-за наличия электрического поля неравновесные носители, генерированные излучением в слоях 4, 5, 6, не могут диффундировать к границам раздела варизонных слоев с широкозонными слоями, где скорость поверхностной рекомбинации велика. Результатом такой ситуации является рекомбинация неравновесных носителей со временем жизни, обусловленным свойствами объема полупроводника рабочего слоя. Таким образом реализуется максимальная вольтовая чувствительность, определяемая качеством исходного полупроводникового материала. Наличие варизонных слоев с градиентом состава не только устраняет поверхностную рекомбинацию, но также расширяет спектральную область чувствительности, что приводит к повышению интегральной обнаружительной способности фотоприемника. Увеличение вольтовой чувствительности достигается также уменьшением толщины рабочего слоя постоянного состава и варизонных слоев. Возникающий при уменьшении толщины эпитаксиального рабочего слоя CdHgTe сдвиг максимума спектральной чувствительности влево компенсируется сдвигом состава в сторону уменьшения мольной доли теллурида кадмия. Суммарный эффект от наличия варизонных слоев и уменьшения толщины слоев CdHgTe приводит к столь значительному (в 20-50 раз) повышению вольтовой чувствительности, что позволяет снизить в 10-20 раз ток смещения одного пикселя, сохранив высокую, приемлемую для коммутации сигнала мультиплексором вольтовую чувствительность.

Возможно включение через мультиплексор фоточувствительного пикселя (площадки) в плечо моста, составленного из фоточувствительных пикселей с равным темновым сопротивлением, защищенных от излучения. Защита пикселей от излучения осуществляется либо нанесением шторки - холодной диафрагмы на поверхность подложки из GaAs, CdZnTe или Si, а в случае обратного монтажа и освещения через кремниевый мультиплексор - затенением пикселей через диэлектрическую пленку индиевой шторкой.

Индиевые контакты (см. чертеж), заглубленные практически на всю толщину верхнего варизонного слоя или на толщину всех слоев Cd_xHg_1-xTe, и индиевые столбики позволяют соединить методом холодной сварки многоэлементный субматричный и матричный фоторезистор с кремниевым мультиплексором, имеющим контакты в виде ответных индиевых столбиков.

Мультиплексор фоторезистора в холодной зоне чувствительного элемента (Т~80 К) позволяет сократить количество выводов из холодной зоны и снизить теплоприток. Габариты, вес и энергопотребление фотоприемного устройства при этом существенно снижаются.

Таким образом, конструкция фотоприемного устройства обеспечивает высокую вольтовую чувствительность и обнаружительную способность при больших шумах, малых токах смещения, малых мощностях тепловыделения и позволяет использовать мультиплексор в холодной зоне и малогабаритную систему охлаждения.

Использование: для обнаружения и регистрации инфракрасного излучения. Сущность: фотоприемное устройство содержит, по крайней мере, один фоточувствительный элемент, представляющий собой многослойную полупроводниковую гетероэпитаксиальную структуру на основе трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe, состоящую из рабочего слоя постоянного состава, соответствующего области чувствительности устройства, размещенного между двумя варизонными слоями того же полупроводникового материала, при этом градиент состава варизонных слоев выбран из условия обеспечения увеличения ширины запрещенной зоны от рабочего слоя к внешним краям варизонных слоев, мультиплексор, обеспечивающий считывание и обработку сигнала фоточувствительного элемента, и интерфейс, выполненный в виде интегральной схемы, управляющей мультиплексором и выравнивающей каналы усиления и преобразования мультиплексора, при этом фоточувствительный элемент и мультиплексор размещены в вакуумной камере напротив входного окна в непосредственной близости от холодного пальца газовой криогенной машины, контакты к фоточувствительному элементу выполнены в виде индиевых столбиков и соединены с ответными индиевыми столбиками мультиплексора, а интерфейс расположен в теплой зоне. Технический результат изобретения: снижение тока смещения одного пикселя приблизительно в 10-50 раз, повышение вольтовой чувствительности, исключение дополнительных шумов с частичным оцифровованием сигнала в холодной зоне, устранение постоянной составляющей сигнала с фоторезистора, определяемой током смещения. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотоприемное устройство, содержащее, по крайней мере, один фоточувствительный элемент, представляющий собой многослойную полупроводниковую гетероэпитаксиальную структуру на основе трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe, состоящую из рабочего слоя постоянного состава, соответствующего спектральной области чувствительности устройства, размещенного между двумя варизонными слоями того же полупроводникового материала, при этом градиент состава варизонных слоев выбран из условия обеспечения увеличения ширины запрещенной зоны от рабочего слоя к внешним краям варизонных слоев, мультиплексор, обеспечивающий считывание и обработку сигнала фоточувствительного элемента, и интерфейс, выполненный в виде интегральной схемы, управляющей мультиплексором и выравнивающей каналы усиления и преобразования мультиплексора, при этом фоточувствительный элемент и мультиплексор размещены в вакуумной камере напротив входного окна в непосредственной близости от холодного пальца газовой криогенной машины, контакты к фоточувствительному элементу выполнены в виде индиевых столбиков и соединены с ответными индиевыми столбиками мультиплексора, а интерфейс расположен в теплой зоне.2. Фотоприемное устройство по п.1, отличающееся тем, что гетероэпитаксиальная структура содержит нижний варизонный слой

Cd_хHg_1-хТе, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочий слой Cd_хHg_1-хТе, где х=0,3±0,05, и верхний варизонный слой Cd_хHg_1-хТе, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.