ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК H01L31/101 

Предлагаемые устройства относятся к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и могут использоваться в оптико-электронной аппаратуре различного назначения, в особенности для широкопольных теплопеленгационных или тепловизионных приборов, работающих в двух областях спектра - 2-3 мкм и 3-5 мкм.

Одним из направлений развития оптоэлектроники является создание оптико-электронной аппаратуры, работающей в ИК-области спектра с широкими полями зрения и высоким пространственным разрешением.

Для формирования протяженных фоточувствительных структур применяется модульный принцип конструирования, при котором такая структура набирается из модулей с числом фоточувствительных элементов, ограниченным возможностями технологии. Известно охлаждаемое фотоприемное устройство (ФПУ) типа BD АМ010 (рекламный проспект фирмы Sofradir (Франция), опубл. в декабре 2000 г.), выполненное в виде протяженной фотоприемной структуры для авиационного и космического применения. Данное устройство выполнено в виде линейки, состоящей из пяти модулей, состыкованных с минимальными зазорами и образующих линейку из 1500 фоточувствительных элементов. Каждый модуль включает линейку фоточувствительных элементов (фотодиодов из КРТ, чувствительных в области спектра 3-5 мкм) и считывающий мультиплексор. Недостатком данного устройства является его работа в одной области спектра.

Существенное повышение информативности и расширение возможностей применения оптико-электронной аппаратуры достигается за счет использования не одного, а двух спектральных диапазонов. Фотоприемные устройства, входящие в состав такой аппаратуры, должны быть выполнены в виде протяженных фоточувствительных структур с высоким количеством фоточувствительных элементов, в несколько раз превышающим параметры стандартного телевизионного сигнала (576 или 768).

Известен двухспектральный охлаждаемый фотодетектор (патент US, 5525801А, опубл. 11.06.1996 г.), содержащий две многоэлементные фоточувствительные линейки, каждая линейка по 128 фоточувствительных элемента на основе PbS или PbSe. Указанные линейки расположены параллельно на подложке одного фоточувствительного элемента из кварцевого стекла или подобного материала. Фоточувствительные линейки расположены на противоположных сторонах металлического следа и оптического делителя. Для считывания фотоэлектрических сигналов с каждой линейки через проводные связи фотодетектор содержит два мультиплексора. Подложка расположена на основании, выполненном из теплопроводящего синтетического сапфира и установленном на многоступенчатый термоэлектрический охладитель. Двухспектральный охлаждаемый фотодетектор содержит два фильтра, создающих две области спектра. Так как фоточувствительные элементы двух линеек выполнены из одного и того же материала, предусмотрен оптический делитель, который предотвращает попадание одной области спектра на фоточувствительные элементы двух линеек. Указанное устройство как наиболее близкое к предлагаемым изобретениям принято за прототип. Конструкция известного фотоприемника не позволяет создавать крупноформатные многомодульные фоточувствительные структуры различной конфигурации.

Первой задачей изобретения является создание двухспектрального фотоприемника, являющегося составной частью оптико-электронной аппаратуры (ОЭА), в которой реализован способ развертки изображения с применением конического сканирования внешним наклонным зеркалом, нормаль к которому движется по эллиптическому конусу, а отраженный луч (оптическая визирная ось) - по правильному круговому конусу.

Технический результат достигается тем, что обеспечивается возможность создания двухспектральных крупноформатных многомодульных фоточувствительных структур различной конфигурации, расположенных, например, в виде многоугольника.

Это достигается тем, что двухспектральный фотоприемник состоит из n модулей, где n≥4, и каждый модуль содержит два фоточувствительных элемента, две многоэлементные фоточувствительные линейки, мультиплексоры и основание, при этом первая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в одной области спектра и расположена на подложке первого фоточувствительного элемента, имеющего вид трапеции, а вторая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в другой области спектра и расположена на подложке второго фоточувствительного элемента, а модули расположены так, что фоточувствительные структуры, каждая из которых образована линейками, чувствительными в одной области спектра, имеют вид правильных многоугольников.

Второй задачей изобретения является создание протяженных фоточувствительных структур с высокой степенью информативности.

Технический результат достигается тем, что обеспечивается возможность создания двухспектральных крупноформатных многомодульных фоточувствительных структур, расположенных в виде линеек.

Это достигается тем, что двухспектральный фотоприемник состоит из n модулей, где n≥4, и каждый модуль содержит два фоточувствительных элемента, имеющих вид прямоугольников, две многоэлементные фоточувствительные линейки, мультиплексоры и основание, при этом первая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в одной области спектра и расположена на подложке первого фоточувствительного элемента, а вторая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в другой области спектра и расположена на подложке второго фоточувствительного элемента, а модули расположены так, что фоточувствительные структуры, каждая из которых образована линейками, чувствительными в одной области спектра, расположены в виде линеек.

В первом и втором случае фоточувствительные элементы первой линейки могут быть выполнены из селенида свинца, а фоточувствительные элементы второй линейки могут быть выполнены из сульфида свинца, первый и второй фоточувствительные элементы могут быть установлены на коммутационной плате, а мультиплексоры могут быть установлены на фоточувствительные элементы методом перевернутого монтажа с групповой пайкой через индиевые столбики.

Предлагаемые решения поясняются следующими чертежами, где:

фиг.1 - модуль двухспектрального фотоприемника. Главный вид.

Фиг.2 - модуль двухспектрального фотоприемника. Вид сбоку.

Фиг.3 - гибридизация мультиплексора с фоточувствительным элементом через индиевые столбики.

Фиг.4 - многоэлементные фоточувствительные линейки, выполненные из различных материалов.

Фиг.5 - двухспектральный фотоприемник, в котором фоточувствительные структуры имеют вид правильного многоугольника.

Фиг.6 - двухспектральный фотоприемник, в котором фоточувствительные структуры имеют вид двух линеек.

Двухспектральный фотоприемник состоит из n-го количество модулей, каждый из которых включает:

1 - охлаждаемое основание, например, из ковара;

2 - коммутационную плату, установленную на основании;

3, 4 - два фоточувствительных элемента (ФЧЭ), на подложке первого из которых выполнена первая многоэлементная фоточувствительная линейка 5 из селенида свинца, а на подложке второго фоточувствительного элемента выполнена вторая многоэлементная фоточувствительная линейка 6 из сульфида свинца;

7, 8 - мультиплексоры многоканальные, установленные на фоточувствительных элементах методом перевернутого монтажа с групповой пайкой через индиевые столбики 9;

10 - полиимидный микрокабель.

Подложки первого и второго фоточувствительных элементов приклеены на коммутационную плату, задачей которой является вывод электрических соединений с фоточувствительных элементов на одну сторону, а именно на полиимидный микрокабель 10.

С помощью микросхем мультиплексоров 7 и 8, установленных на фоточувствительные элементы методом перевернутого монтажа и групповой пайки на индиевые столбики 9, предварительно выращенные на контактных площадках мультиплексоров и фоточувствительных элементов, осуществляется предварительная обработка и считывание фотоэлектрических сигналов с каждой линейки на один выход.

Установка микросхем мультиплексора методом перевернутого монтажа обеспечивает существенное снижение габаритных размеров. Групповая обработка оснований и подложек ФЧЭ обеспечивает требуемую плоскость расположения ФЧЭ в фокальной плоскости. С помощью специальной технологии прецизионной резки ФЧЭ обеспечиваются минимальные зазоры как между линейками из PbS и PbSe, так и между соседними фотоприемными модулями, образующими непрерывную многомодульную фоточувствительную структуру.

Сочетание описанных особенностей конструкции и технологии позволило создать компактный, технологичный двухспектральный фотомодуль с высоким уровнем фотоэлектрических параметров и повышенным числом фоточувствительных площадок (фоторезисторов), позволяющий набирать в фокальной плоскости протяженные фоточувствительные структуры в виде многоугольников или линеек.

Первая и вторая многоэлементные линейки 5 и 6 одного из модулей двухспектрального фотоприемника расположены в непосредственной близости и практически параллельно и образуют фоточувствительные структуры одного из модулей фотоприемника, работающие в двух областях спектра - 2-3,0 мкм и 3,0-5 мкм.

В первом изобретении один из фоточувствительных элементов имеет вид трапеции, у которой боковые стороны наклонены к основаниям трапеции под углом α, что позволяет соединять n модулей, соприкасающихся между собой боковыми сторонами трапеций. При соединении n модулей фоточувствительные структуры, работающие в разных областях спектра, имеют вид правильных многоугольников. Стороны каждого многоугольника образованы линейками, чувствительными в одной области спектра.

Во втором изобретении второй фоточувствительный элемент имеет вид прямоугольника, и модули соединяют между собой сторонами, свободными от выводов электрических соединений. При этом две фоточувствительные структуры, каждая из которых образована многоэлементными линейками, чувствительными в одной области спектра, имеют вид линеек.

Предлагаемое ФПУ работает следующим образом.

Перед началом работы ФЧЭ 3 и 4 охлаждаются до заданной рабочей температуры. Поток ИК-излучения поступает на фоторезисторы, под действием которого их сопротивление изменяется. Соответствующий этому изменению сигнал в виде приращения тока поступает на входы мультиплексоров 7 и 8, где он усиливается, обрабатывается для получения оптимальной частотной характеристики и коммутируется на один выход.

Сигналы со всех модулей, входящих в состав ФПУ, поступают в оптико-электронную аппаратуру для дальнейшей обработки.

Были изготовлены и испытаны опытные образцы предлагаемого двухспектрального фотоприемника. Первый ФЧЭ представлял собой 256-элементный фоторезистор на основе селенида свинца на подложке из фотостекла. Второй ФЧЭ представлял собой 256-элементный фоторезистор на основе сульфида свинца на подложке из кварцевого стекла. Основание изготовлено из ковара.

Основной параметр фотоприемника - обнаружительная способность D∗λm линейки из PbSe, измеренная на длине волны 4.2 мкм D∗λmax=4·10¹⁰ Вт^-1 см Гц^1/2, a D∗λm линейки из PbS, измеренная на длине волны 2.7 мкм D∗λmax=3·10¹¹ Вт^-1 см Гц^1/2, что соответствует мировому уровню для приемников этого класса.

Изобретение может использоваться, например, для широкопольных теплопеленгационных или тепловизионных приборов, работающих в двух областях спектра. Двухспектральный фотоприемник состоит из n модулей, каждый из которых содержит фоточувствительные элементы, две многоэлементные фоточувствительные линейки, мультиплексор и основание. Первая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в одной области спектра и расположена на подложке первого фоточувствительного элемента, а вторая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в другой области спектра и расположена на подложке второго фоточувствительного элемента. В одном из изобретений первые фоточувствительные элементы имеют вид трапеции, что позволяет располагать модули так, что фоточувствительные структуры, каждая из которых образована линейками, чувствительными в одной области спектра, имеют вид правильных многоугольников. В другом варианте изобретения вторые фоточувствительные элементы имеют вид прямоугольников, что позволяет располагать модули так, что фоточувствительные структуры имеют вид линейки. Технический результат изобретения заключается в создании двухспектральных крупноформатных многомодульных фоточувствительных структур различной конфигурации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двухспектральный фотоприемник, содержащий модуль, состоящий из фоточувствительного элемента, двух многоэлементных фоточувствительных линеек, мультиплексоров и основания, отличающийся тем, что он состоит из n модулей, где n≥4, при этом первая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в одной области спектра и расположена на подложке первого фоточувствительного элемента, имеющего вид трапеции, а вторая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в другой области спектра и расположена на подложке второго фоточувствительного элемента, а модули расположены так, что фоточувствительные структуры, каждая из которых образована линейками, чувствительными в одной области спектра, имеют вид правильных многоугольников.

2. Двухспектральный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что фоточувствительные элементы первой линейки выполнены из селенида свинца, а фоточувствительные элементы второй линейки выполнены из сульфида свинца.

3. Двухспектральный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что первый и второй фоточувствительные элементы установлены на коммутационной плате.

4. Двухспектральный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что мультиплексоры установлены на фоточувствительные элементы методом перевернутого монтажа с групповой пайкой через индиевые столбики.

5. Двухспектральный фотоприемник, содержащий модуль, состоящий из фоточувствительного элемента, двух многоэлементных фоточувствительных линеек, мультиплексоров и основания, отличающийся тем, что он состоит из n модулей, где n≥4, при этом первая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в одной области спектра и расположена на подложке первого фоточувствительного элемента, а вторая многоэлементная линейка выполнена чувствительной в другой области спектра и расположена на подложке второго фоточувствительного элемента, имеющего вид прямоугольника, а модули расположены так, что фоточувствительные структуры, каждая из которых образована линейками, чувствительными в одной области спектра, имеют вид линейки.

6. Двухспектральный фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что фоточувствительные элементы первой линейки выполнены из селенида свинца, а фоточувствительные элементы второй линейки выполнены из сульфида свинца.

7. Двухспектральный фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что первый и второй фоточувствительные элементы установлены на коммутационной плате.

8. Двухспектральный фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что мультиплексоры установлены на фоточувствительные элементы методом перевернутого монтажа с групповой пайкой через индиевые столбики.