МНОГОКРИСТАЛЬНОЕ МНОГОЦВЕТНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С РАСШИРЕННОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК H01L27/146 

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного (ИК) излучения в различных спектральных диапазонах, а именно многокристальному многоцветному фотоприемному устройству (ФПУ), предназначенному для детектирования излучения в нескольких спектральных поддиапазонах инфракрасной области спектра от 3,5 до 12,7 мкм.

В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронной аппаратуры, в первую очередь тепловизионной и теплопеленгационной, является использование многоцветных фотоприемных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра.

Известно, что температура объекта наблюдения может быть определена по соотношению излучательных способностей объекта наблюдения в различных спектральных диапазонах с помощью детектирования излучения как минимум в двух спектральных диапазонах.

Важной особенностью аппаратуры на основе многокристальных многоцветных фотоприемных устройств является расширенная спектральная характеристика квантовой эффективности, что позволяет:

- детектировать большое количество событий и наблюдаемых объектов, которые инициируют фотосигналы различной амплитуды в различных спектральных диапазонах;

- сравнивать амплитуды сигналов от фотоприемных устройств, работающих в различных спектральных диапазонах при наблюдении за одними и теми же объектами излучения;

- анализировать местоположение и пространственные характеристики объектов излучения на основе снятия сигналов с элементов матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ), входящих в многокристальное ФПУ;

- анализировать временное распределение параметров наблюдаемых объектов на основе снятия сигналов с элементов различных МФЧЭ, входящих в многокристальное ФПУ;

- идентифицировать события на основе проведенного временного и пространственного анализа.

Такая аппаратура значительно повышает информативность и достоверность систем, вероятность обнаружения и распознавания объектов излучения в условиях искусственных и естественных помех.

Наиболее подходящим материалом для создания современной оптико-электронной аппаратуры с использованием многокристальных многоцветных ФПУ является материал кадмий-ртуть-теллур (CdHgTe, или КРТ). Выбор материала CdHgTe в качестве основного для ФПУ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают максимальную квантовую эффективность и чувствительность в ИК-диапазоне спектра.

В настоящее время конструкции многоцветных фотоприемных устройств широко описаны в патентной литературе.

Известна фотоприемная матрица цветного изображения для детектирования излучения в видимой области спектра в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации цветного изображения [RU 238967, H01L 27/146, опубл. 20.10.2009 г.]. Фотоприемная матрица цветного изображения содержит ячейки, имеющие фоточувствительные области, каждая из которых расположена на глубине полупроводниковой структуры, соответствующей генерации носителей заряда от световой компоненты заданного цвета, и обеспечивает детектирование излучения в трех спектральных диапазонах видимой области (красной (R), зеленой (G) и голубой (B)), расположенных по схеме Байера.

Известно многокристальное многоцветное фотоприемное устройство и способ идентификации событий с его помощью «Multi-array sensor and method of identifying events using the same» [EP 0973019, B12, G01J 5/60, опубл. 27.03.2002], принятое в качестве прототипа, содержащее одну или две матрицы фоточувствительных элементов, детектирующих излучение как минимум в двух спектральных диапазонах. В патенте приведены три основных типа конструкции многокристального многоцветного ФПУ, состоящего из матриц фоточувствительных элементов, состыкованных с помощью индиевых микроконтактов с кремниевыми большими интегральными схемами считывания сигнала (фиг. 1, 2, 3 (а, б, в, г), 4), или их комбинация:

- ФПУ, у которого кристаллы матриц чувствительных элементов, гибридизированные с помощью индиевых столбиков с одной интегральной схемой считывания и детектирующие излучение в различных спектральных диапазонах, расположены в одной плоскости; излучение на кристаллы МФЧЭ фокусируется с помощью раздельных оптических систем; при этом расстояние между отдельными кристаллами не лимитируется, поэтому при использовании раздельных оптических систем существенно возрастают габариты ФПУ;

- ФПУ, у которого кристаллы матриц чувствительных элементов, гибридизированные с помощью индиевых столбиков с разными интегральными схемами считывания и детектирующие излучение в различных спектральных диапазонах, расположены в различных плоскостях на значительном расстоянии друг от друга; излучение на кристаллы МФЧЭ фокусируется с помощью одной оптической системы, разделяющей поток излучения на два с помощью полупрозрачной пластины; это приводит к уменьшению как минимум в два раза интенсивности падающего на отдельные кристаллы МФЧЭ потока излучения и существенно возрастают габариты ФПУ;

- ФПУ, у которого имеется один кристалл МФЧЭ, гибридизированный с помощью индиевых столбиков с одной интегральной схемой считывания; нами не рассматривается, т.к. не является многокристальным.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактной универсального применения конструкции многокристального многоцветного фотоприемного устройства с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности, состоящего из отдельных кристаллов матриц фоточувствительных элементов, гибридизированных с помощью индиевых микроконтактов с одной или несколькими большими интегральными схемами считывания фотосигнала.

Технический результат достигается тем, что многокристальное многоцветное фотоприемное устройство состоит как минимум из четырех матриц фоточувствительных элементов, детектирующих излучение в двух, трех или четырех спектральных диапазонах ИК области спектра, и одной или четырех БИС считывания, гибридизированных индиевыми микроконтактами с кристаллами МФЧЭ; при этом каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристаллов МФЧЭ и БИС считывания сигнала или части БИС считывания, настроен на отдельный заданный спектральный диапазон ИК области спектра, что позволяет ФПУ работать без уменьшения фотосигналов и потери информативности изображения, а фоточувствительные модули, работающие в разных спектральных диапазонах, располагаются с минимальным зазором между кристаллами (10-20 мкм).

Для данной конструкции ФПУ изображение наблюдаемых объектов фокусируется оптической системой одновременно на каждый из четырех кристаллов МФЧЭ, работающих параллельно в четырех (двух или трех) спектральных диапазонах.

Каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристалла МФЧЭ и БИС считывания сигнала, работает в своем заданном спектральной диапазоне ИК области спектра за счет использования специально выращенных гетероструктур полупроводникового материала КРТ с рабочими фоточувствительными слоями определенного состава, оптимизированными под заданные спектральные диапазоны ИК области спектра.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структура многокристального многоцветного ФПУ; на фиг. 2 - прецизионная сборка четырех кристаллов МФЧЭ, гибридизированных с четырьмя БИС считывания на общую коммутирующую подложку; фиг. 3 (а, б, в, г) - спектральные характеристики фоточувствительности МФЧЭ в ИК области спектра от 3,5 до 12,7 мкм; фиг. 4 - конструкция гетероэпитаксиальной структуры КРТ; фиг. 5 - фрагмент кристалла матрицы фоточувствительных элементов с индиевыми столбиками.

Многокристальное многоцветное фотоприемное устройство (фиг.1), состоит как минимум из четырех матриц фоточувствительных элементов (позиции 1-4), детектирующих излучение в двух, трех или четырех спектральных диапазонах ИК области спектра (от 3,5 до 12,7 мкм), одной или четырех больших интегральных схем считывания (позиции 5-8), гибридизированных индиевыми микроконтактами с кристаллами МФЧЭ, коммутирующей подложки (позиция 9), вакуумного корпуса (позиция 10).

Для получения изображения от наблюдаемых объектов необходимо сфокусировать изображение объектов в плоскость расположения матриц фоточувствительных элементов, при этом используется одна оптическая система (не показана), чтобы изображение фокусировалось на элементы всех матриц одновременно. Фоточувствительные модули, состоящие из кристаллов МФЧЭ и БИС, располагаются как можно ближе друг к другу с минимальным зазором между кристаллами (10-20 мкм). Для лучшей идентификации изображений массивы имеют одинаковое количество элементов, которое не лимитируется в рамках данного изобретения. Массивы могут быть прямоугольными или квадратными матрицами, от 64×64 и более элементов, что определяется требуемой разрешающей способностью. Матрицы МФЧЭ, представленные в качестве примера на фиг. 2, имеют размер 384×288 элементов и располагаются в едином корпусе, который устраняет доступ нежелательных внешних воздействий. Корпус содержит входное окно, которое одновременно может быть элементом оптической системы.

Многокристальное многоцветное ФПУ изготавливается, используя технологический процесс прецизионной сборки фоточувствительных модулей, состоящих из кристаллов МФЧЭ и БИС, на общую коммутирующую подложку с зазором между фоточувствительными модулями не более 10-20 мкм. При этом отсутствие одного или двух рядов элементов в МФЧЭ (в месте стыковки фоточувствительных модулей) при формирования ИК-изображения мало отразится на качестве самого изображения. На фиг. 2 представлен процесс прецизионной сборки фоточувствительных модулей в единое ФПУ формата 768×576 элементов, состоящее из четырех фоточувствительных модулей формата 384×288 элементов, который включает следующие основные операции:

- подготовку поверхностей фоточувствительных модулей, состоящих из МФЧЭ и БИС, и коммутирующей подложки к приклеиванию;

- нанесение вакуумного клея;

- точное позиционирование фоточувствительных модулей с прижимом при помощи микроманипуляторов и контролем зазоров между кристаллами при помощи микроскопа.

Каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристалла МФЧЭ и БИС, работает в своем заданном спектральном диапазоне ИК области спектра за счет использования специально выращенных гетероструктур полупроводникового материала КРТ с рабочими фоточувствительными слоями определенного состава, оптимизированными под заданные спектральные диапазоны. На фиг. 3 (а, б, в, г) представлены спектральные характеристики фоточувствительности кристаллов МФЧЭ, используемых для различных модификаций ФПУ.

Кристаллы МФЧЭ предназначены для детектирования излучения в ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 12,7 мкм. Основные спектральные поддиапазоны, в которых работают отдельные фоточувствительные модули: 3,5-4,4 мкм; 5,0-7,0 мкм, 8,3-10,6 мкм; 10,4-12,7 мкм, при этом длинноволновая граница фоточувствительности обеспечивается составом фоточувствительного материала КРТ, а коротковолновая граница фоточувствительности обеспечивается фильтрующим покрытием на подложке МФЧЭ. Многокристальные многоцветные ФПУ могут состоять из различных комбинаций фоточувствительных модулей, чувствительных в представленных выше спектральных диапазонах ИК области спектра в зависимости от задачи, решаемой оптико-электронным прибором, в который входит данное многокристальное многоцветное ФПУ.

Матрица фоточувствительных элементов изготовляется на основе многослойной полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры из трехкомпонентного твердого раствора кадмий-ртуть-теллур Cd_xHg_1-xTe.

Гетероэпитаксиальная структура кристалла матрицы фоточувствительных элементов представлена на фиг. 4 и содержит последовательно расположенные:

11 - подложку кадмий-цинк-теллур (CdZnTe);

12 - буферные слои ZnTe, CdTe;

13 - варизонный слой, состав которого x плавно изменяется от 1,0±0,05 до рабочего состава в направлении от подложки;

14 - рабочий поглощающий фоточувствительный слой Cd_xHg_1-xTe заданного состава x p-типа проводимости, соответствующий одному из вышеприведенных спектральных диапазонов;

15 - фотодиодный слой Cd_xHg_1-xTe n+-типа проводимости, формирующий фотодиоды;

16 - диэлектрическое покрытие, толщиной порядка 1 мкм;

Большая интегральная схема считывания обеспечивает параллельное считывание и обработку сигнала с кристалла МФЧЭ заданного спектрального диапазона многокристального многоцветного ФПУ в ИК области спектра от 3,5 до 12,7 мкм.

Контакты каждого из кристаллов матрицы фоточувствительных элементов состыкованы с контактами одной или четырьмя большими интегральными схемами считывания. Большие интегральные схемы считывания или единая схема БИС работают в параллельном режиме синхронного считывания информации с четырех кристаллов МФЧЭ. Для вывода сигналов выходные контактные площадки БИС соединены с контактными выводами специальной контактной подложки (растра), после чего выводятся на разъем ФПУ.

В процессе работы фотоприемного устройства поток излучения с энергией кванта hν≥E_g проходит через подложку из CdZnTw - 11, через буферный слой CdTe - 12. Затем поток излучения поглощается в рабочем фоточувствительном слое 13 заданного состава. Неравновесные носители заряда, генерированные излучением в рабочем фоточувствительном слое 13, диффундируют к области объемного заряда, образованной на границах полупроводников p- и n-типа, где втягиваются электрическим полем p-n-переходов и принимают участие в процессе возникновения электрического тока.

Разделение падающего на МФПУ пучка ИК-излучения осуществляется специальной оптической системой, работающей в ИК области спектра, со светоделителями. Последующее совмещение ИК-изображений от отдельных кристаллов фоточувствительных модулей на общий экран осуществляется специальным блоком электроники на основе сигнального процессора. Оптическая система может иметь диспергирующий элемент (призма), в этом случае МФПУ работает как гиперспектральное устройство.

Многокристальное многодиапазонное ФПУ обеспечивает регистрацию наблюдаемых объектов в четырех измерениях (двумерное пространство изображений, время, спектральный диапазон); позволяет определять температуры наблюдаемых объектов по соотношению излучательных способностей объекта в различных спектральных диапазонах; обеспечивает повышение точности временного и пространственного анализа за счет сравнения фотосигналов в различных спектральных диапазонах. Многокристальное многоцветное ФПУ обладает расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности за счет использования четырех кристаллов МФЧЭ, работающих в четырех (возможно двух или трех) спектральных диапазонах ИК-области спектра.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного (ИК) излучения в нескольких спектральных поддиапазонах инфракрасной области спектра от 3,5 до 12,7 мкм. Многокристальное многоцветное фотоприемное устройство (ФПУ) с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности содержит кристаллы матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ), детектирующих излучение в различных спектральных диапазонах ИК области спектра, гибридизированных с большими интегральными схемами (БИС) считывания сигнала, при этом с целью расширения спектральной характеристики квантовой эффективности, обеспечения компактности конструкции и повышения универсальности применения устройство содержит как минимум четыре кристалла МФЧЭ, гибридизированных индиевыми микроконтактами с одной или четырьмя БИС считывания сигнала, каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристалла МФЧЭ и БИС считывания или части БИС считывания, настроен на отдельный заданный диапазон ИК области спектра, фоточувствительные модули расположены блочно с минимальным зазором между кристаллами (10-20 мкм). 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многокристальное многоцветное фотоприемное устройство (ФПУ) с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности, содержащее кристаллы матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ), детектирующих излучение в различных спектральных диапазонах ИК области спектра, гибридизированных с большими интегральными схемами (БИС) считывания сигнала, отличающееся тем, что с целью расширения спектральной характеристики квантовой эффективности, обеспечения компактности конструкции и повышения универсальности применения устройство содержит как минимум четыре кристалла МФЧЭ, гибридизированных индиевыми микроконтактами с одной или четырьмя БИС считывания сигнала, каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристалла МФЧЭ и БИС считывания или части БИС считывания, настроен на отдельный заданный диапазон ИК области спектра, фоточувствительные модули расположены блочно с минимальным зазором между кристаллами (10-20 мкм).

2. Многокристальное многоцветное ФПУ с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности по п. 1, отличающееся тем, что каждый кристалл МФЧЭ работает в своем заданном спектральном диапазоне ИК области спектра за счет использования специально выращенных гетероструктур полупроводникового материала КРТ с рабочими фоточувствительными слоями определенного состава, оптимизированными под заданные спектральные диапазоны ИК области спектра.

3. Многокристальное многоцветное ФПУ с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности по п. 1, отличающееся тем, что фоточувствительные модули, состоящие из кристаллов МФЧЭ и БИС, располагаются в общем корпусе с одним входным окном.

4. Многокристальное многоцветное ФПУ с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности по п. 1, отличающееся тем, что параллельность считывания фотосигнала в различных спектральных диапазонах достигается за счет конструкции большой интегральной схемы считывания.