МАТРИЦА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2015 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к матрицам фоточувствительных элементов (МФЧЭ), используемых для создания матричных фотоприемных устройств (МФПУ) для тепловизионных систем обзора.

МФПУ, как правило, включают поэлементно состыкованные МФЧЭ и кремниевый мультиплексор, расположенные внутри светоограничительного экрана с диафрагмой заданной формы и заданными размерами, закрытой светофильтром, определяющим спектр фоточувствительности устройства. Вышеуказанный экран с растром смонтирован внутри вакуумированного или газонаполненного корпуса с входным оптическим окном. Корпус интегрирован с устройством охлаждения МФЧЭ и мультиплексора. Оптическое окно снабжено антиотражающим покрытием, диапазон пропускания которого шире диапазона чувствительности МФЧЭ, для обеспечения наименьших потерь падающего излучения.

МФЧЭ выполняется как на основе полупроводниковых гомоструктур (InSb), так и на основе гетероструктур (CdZnTe-HgCdTe, InP-InGaAs, GaAs-GaAlAs и т.д.).

Заявляемое устройство относится к МФЧЭ на основе гетероструктур.

Известные МФЧЭ на основе гетероструктур включают полупроводниковую подложку с толщиной, превышающей диффузионную длину неосновных носителей заряда, как минимум, на порядок, с шириной запрещенной зоны, соответствующей длине волны λ₁, расположенное на лицевой ее стороне просветляющее диэлектрическое покрытие и расположенные на тыльной ее стороне ФЧЭ с шириной запрещенной зоны фотоактивного слоя, соответствующей длине волны λ₂(E_g2=hc/λ₂).

Полоса чувствительности указанных МФЧЭ определяется длинами волн λ₁ и λ₂. Облучаются ФЧЭ излучением, проходящим сквозь оптическое окно корпуса МФПУ, охлаждаемый светофильтр и подложку МФЧЭ. При этом в МФПУ кроме полезного сигнального излучения на них падает и паразитное излучение, которое увеличивает уровень шума ФЧЭ и, соответственно, ухудшает пороговые параметры МФПУ.

Источниками паразитного облучения для МФЧЭ, установленного в МФПУ, всегда являются:

- естественный фон окружающего пространства;

- излучение входного окна МФПУ, температура которого, как правило, равна температуре окружающей среды;

- излучение светофильтра, температура которого определяется системой охлаждения МФЧЭ;

- тепловое излучение экрана, ограничивающего световую апертуру МФПУ, температура которого также определяется системой охлаждения МФЧЭ.

ИК МФПУ используются для регистрации тепловой картины окружающего пространства. В этом случае важнейшим параметром МФПУ является пороговая разность температур (NETD). Аналитически, этот параметр определяется следующими выражениями:

$$NET{D}_{МФПУ}({\lambda }_1,{\lambda }_2)=\frac{1}{n\cdot m}\cdot {\displaystyle \sum }_i^n{\displaystyle \sum }_j^{m}NET{D}_{ijФ\text{}Ч\text{}Э}({\lambda }_1,{\lambda }_2)$$ (1)

$$NET{D}_{ФЧЭ}({\lambda }_1,{\lambda }_2)=\frac{k_B\cdot T^2}{c\cdot h}\cdot SN{R}_{ФЧЭ}{({\lambda }_1,{\lambda }_2)}^{-1}\cdot \frac{N({\lambda }_1,{\lambda }_2)}{Z({\lambda }_1,{\lambda }_2)}$$ (2)

где

$$SN{R}_{ФЧЭ}({\lambda }_1,{\lambda }_2)=\frac{N_{сигн\_ФЧЭ}}{N_{шум\_ФЧЭ}}$$ (3)

$$N({\lambda }_1,{\lambda }_2)={\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot c}{{\lambda }^4\cdot \left[exp\left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}}d\lambda$$ , (4)

$$Z({\lambda }_1,{\lambda }_2)={\displaystyle \underset{{\lambda }_1}{\overset{{\lambda }_2}{\int }}\frac{2\cdot \pi \cdot c}{{\lambda }^5}}\frac{exp\left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)}{{\left[exp\left(\frac{c\cdot h}{\lambda \cdot k_B\cdot T}\right)-1\right]}^2}d\lambda$$ (5)

$$N_{шумФЧЭ}^2=N_{ш\_сигн}^2+N_{ш\_фон}^2+N_{ш\_в\text{}х.окно}^2+N_{ш\_сф}^2+N_{ш\_экр}^2+N_{ш\_ток}^2+N_{ш\_БИС}^2$$ (6)

В выражениях (1), (2), (3), (4), (5) и (6)

с - скорость света в вакууме;

h - постоянная Планка;

k_B - постоянная Больцмана;

q - заряд электрона;

Т - температура фона;

SNR_ФЧЭ - отношение сигнал/шум ФЧЭ, или N_{сигнФЧЭ} к N_шумФЧЭ;

N_{сигнФЧЭ} - количество накопленных ФЧЭ носителей заряда, генерированных только полезным излучением от регистрируемого объекта;

N_шумФЧЭ - суммарное количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, обусловленных темновым током, шумом БИС мультиплексора и всеми излучениями, в том числе и паразитными, падающими на него;

N_{ш_сигн} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных сигнальным излучением;

N_{ш_фон} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных фоновым излучением;

N_{ш_вх.окно} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных входным окном МФПУ;

N_{ш_сф} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных охлаждаемым светофильтром;

N_{ш_экр} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных светоограничительным экраном;

N_{ш_ток} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных темновым током;

N_{ш_БИС} - количество шумовых носителей заряда БИС мультиплексора;

N(λ₁, λ₂) - интегральное количество фотонов фона окружающей среды в спектральном диапазоне от λ₁ до λ₂, определяемое из закона Планка;

Z(λ₁, λ₂) - интеграл по λ от производной спектральной плотности потока фотонов по температуре фона, определяемый из закона Планка;

n, m - формат МФЧЭ.

Из представленного выражения для NETD следует, что указанный параметр будет улучшаться, если будет увеличиваться отношение сигнал/шум (SNR) ФЧЭ. В то же время, поскольку полезный максимальный сигнал - постоянная величина, определяемая разностью ширин запрещенных зон подложки и фотоактивного слоя, то повышение этого отношения возможно лишь с помощью снижения интегрального шума МФПУ.

Источниками интегрального шума МФПУ являются вышеупомянутые источники паразитного облучения, темновой ток ФЧЭ и шум БИС мультиплексора. Таким образом, основной задачей конструкторов и технологов является получение минимального темнового тока ФЧЭ, минимального шума БИС мультиплексора и минимизация паразитных излучений при разработке и изготовлении МФПУ с высокими параметрами.

Изменить естественный тепловой фон окружающего пространства мы не можем - он определяется температурой окружающей среды. Уровень теплового излучения светофильтра, определяющего спектральный диапазон чувствительности приемника, и тепловое излучение экрана, ограничивающего световую апертуру МФПУ, мы можем уменьшить до разумных пределов, используя систему охлаждения МФЧЭ. Получение минимального шума БИС мультиплексора также является отдельной независимой задачей схемотехников и технологов по кремниевым микросхемам, как и изготовление МФЧЭ с минимальными темновыми токами - для технологов по полупроводниковым твердым растворам на основе A₃B₅, А₂В₆ и т.д.

Однако существует еще один источник паразитного излучения, который также будет ухудшать отношение сигнал/шум ФЧЭ. Рассмотрим более подробно его возникновение и влияние на работу МФПУ.

Спектр фонового светового излучения, падающего на МФПУ, можно разделить на три части.

Первая часть - излучение с длиной волны, превышающей длину волны λ₁, соответствующую ширине запрещенной зоны фотоактивного слоя ФЧЭ. Сигналы из этой части спектра нас не интересуют.

Вторая часть - излучение с длиной волны между λ₁ и λ₂, где λ₂ - длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны подложки. Излучение регистрируемого сигнала располагается в этой части спектра.

Третья часть - излучение с длиной волны короче λ₂. Сигналы из этой части спектра нас также не интересуют.

Излучение из первой части спектра не поглощается ни в подложке, ни в фотоактивном слое ФЧЭ. Оно не влияет на выходной сигнал и шум ФЧЭ.

Излучение из второй части спектра (фоновое и сигнальное) не поглощается в подложке, но поглощается в фотоактивном слое, и формирует полезный и паразитный сигнал ФЧЭ.

Излучение из третьей части спектра поглощается в лицевой части подложки МФЧЭ.

Толщина подложки МФЧЭ, которая не менее 250-300 мкм, по крайней мере, на порядок превышает диффузионную длину неосновных носителей. При поглощении излучения из третьей части спектра неосновные носители, генерированные им, всегда будут рекомбинировать в подложке МФЧЭ. В силу того что подложка достаточно совершенная с точки зрения кристаллической структуры и прямозонная, то рекомбинация неосновных носителей в ней, в основном, будет излучательной.

Генерируемые при этом кванты уже будут принадлежать второй части спектра, т.е. будут иметь длины волн в диапазоне λ₂+Δλ<λ₁, и будут поглощаться в фотоактивном слое ФЧЭ, генерируя паразитный фототек и повышая уровень шума каждого ФЧЭ. Следовательно, будет ухудшаться отношение полезного сигнала к интегральному шуму (отношение сигнал/шум), что автоматически вызовет ухудшение всех основных пороговых характеристик МФПУ, которые напрямую зависят от этого отношения или от величины интегрального шума.

Задачей заявляемого устройства является повышение отношения сигнал/шум МФЧЭ.

Технический результат достигается тем, что в известной МФЧЭ, включающей широкозонную полупроводниковую подложку с толщиной, не менее чем на порядок превышающей диффузионную длину ее неосновных носителей заряда, с лицевой поверхностью оптического качества и расположенным на ней просветляющим диэлектрическим покрытием, с тыльной ее поверхностью и расположенными на ней ФЧЭ с узкозонным фотоактивным слоем, МФЧЭ содержит дополнительный полупроводниковый слой, расположенный между подложкой и просветляющим покрытием, ширина запрещенной зоны дополнительного слоя не превышает ширину запрещенной зоны подложки и превышает ширину запрещенной зоны узкозонного активного слоя фоточувствительных элементов, а скорость безизлучательной рекомбинации неосновных носителей в дополнительном слое не менее чем на порядок превышает скорость излучательной рекомбинации.

В частности, технический результат достигается тем, что в заявленной МФЧЭ часть подложки, примыкающая к лицевой поверхности, легирована глубокой примесью.

В частности, технический результат достигается также тем, что в заявленной МФЧЭ диэлектрическое покрытие имеет встроенный заряд, знак которого совпадает со знаком основных носителей заряда в дополнительном слое.

Сущность заявленного устройства состоит в наличии специально созданного канала безизлучательной рекомбинации для паразитных неосновных носителей, генерированных поглощенной коротковолновой частью падающего на МФЧЭ излучения. Этот канал безизлучательной рекомбинации имеет две разновидности:

1. Отдельный полупроводниковый слой или часть широкозонной подложки, примыкающая к лицевой стороне, легирована примесью с глубокими энергетическими уровнями в запрещенной зоне. В таких полупроводниковых слоях, легированных глубокими примесями, проходит безизлучательная рекомбинация неосновных носителей, генерированных излучением из третьей части спектра.

2. Часть широкозонной подложки, примыкающая к лицевой стороне, имеет искривленные энергетические зоны в поверхностном слое. Искривление энергетических зон обусловлено встроенным в диэлектрическое покрытие зарядом, знак которого совпадает со знаком основных носителей заряда в подложке (противоположен знаку неосновных носителей заряда в подложке). В результате возникает электрическое поле, вытягивающее неосновные носители, генерированные излучением из третьей части спектра, к поверхности раздела подложка - диэлектрический слой. В этой области, обедненной основными носителями, и проходит безизлучательная рекомбинация неосновных носителей.

Предлагаемое устройство поясняется рисунками.

На фиг. 1 показана возможная конструкция прототипа МФЧЭ.

На фиг. 2 показана возможная зонная диаграмма и внутренний источник паразитного облучения прототипа МФЧЭ.

На фиг. 3 показана возможная конструкция заявляемого МФЧЭ.

На фиг. 4 показаны возможные зонные диаграммы заявляемого МФЧЭ.

На рисунках введены следующие обозначения:

1. Омический контакт к широкозонному общему контактному слою.

2. Широкозонный слой первого типа проводимости.

3. Широкозонная (узкозонная) часть ФЧЭ второго типа проводимости.

4. Коротковолновая часть излучения с длиной волны λ≤λ₁.

5. Фотоактивный узкозонный слой первого типа проводимости.

6. Средневолновая часть излучения с длиной волны λ₂≤λ≤λ₁.

7. Широкозонный общий контактный слой первого типа проводимости.

8. Широкозонный буферный слой первого типа проводимости.

9. Длинноволновая часть излучения с длиной волны λ₂≤λ.

10. Омические контакты к отдельным ФЧЭ.

11. Широкозонная подложка.

12. Диэлектрическое просветляющее покрытие.

13. Дополнительный широкозонный слой, в котором скорость безизлучательной рекомбинации, по крайней мере, на порядок превышает скорость излучательной рекомбинации.

Работает заявляемое устройство в составе МФПУ, включающем МФЧЭ, состыкованную поэлементно с БИС, расположенную в холодном экране с диафрагмой и светофильтром, установленном в вакуумированном или газонаполненном корпусе с оптическим окном, интегрированном с системой охлаждения, следующим образом.

На МФЧЭ, установленную в МФПУ, падает внешнее излучение, которое можно разделить на три части по спектру 4, 6, 9. Длинноволновая часть падающего излучения 4 не поглощается в МФЧЭ и поэтому не генерирует в ней неосновные носители заряда. Средневолновая часть падающего излучения 6, проходящая сквозь входное окно корпуса, охлаждаемый светофильтр и подложку МФЧЭ 11, поглощается в фотоактивном слое МФЧЭ 5 (в фотоактивных областях ФЧЭ) и генерирует в ФЧЭ, включающих элементы 1, 3, 5, 7, как полезные, так и паразитные неосновные носители, формирующие фототоки. Фототоки накапливаются в течение заданного времени накопления на накопительных емкостях в ячейках БИС мультиплексора. Затем величина накопленного в ячейках МФПУ заряда последовательно считывается, формируя выходной вольтовый видеосигнал, соответствующий изображению тепловой картины, проецируемой на МФЧЭ с помощью объектива. Коротковолновая часть падающего излучения 4 поглощается в дополнительном слое МФЧЭ 11, расположенном между подложкой 11 и просветляющим диэлектрическим покрытием 12, и генерирует неосновные носители в нем. Эти неосновные носители безизлучательно рекомбинируют в этом слое, т.к. скорость безизлучательной рекомбинации в нем выше, чем скорость излучательной рекомбинации. Это предохраняет ФЧЭ от паразитного фототока и, следовательно, снижает его уровень шума. Снижение шума при сохранении сигнала означает увеличение отношения сигнал/шум и улучшение такого параметра, как пороговая разность температур.

Таким образом, использование заявляемого устройства даст положительный эффект, выраженный повышением отношения сигнал/шум как МФЧЭ, так и МФПУ.

Изобретение относится к матрицам фоточувствительных элементов (МФЧЭ), используемых в матричных фотоприемных устройствах (МФПУ) для тепловизионных систем обзора. МФЧЭ включает широкозонную полупроводниковую подложку, толщина которой не менее чем на порядок превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда, расположенное на лицевой стороне подложки просветляющее диэлектрическое покрытие и расположенные на тыльной стороне подложки фоточувствительные элементы (ФЧЭ) с узкозонным активным слоем. Согласно изобретению МФЧЭ содержит дополнительный слой, расположенный между подложкой и просветляющим диэлектрическим покрытием, ширина запрещенной зоны дополнительного слоя не превышает ширину запрещенной зоны подложки и превышает ширину запрещенной зоны узкозонного активного слоя ФЧЭ, а скорость безизлучательной рекомбинации неосновных носителей в дополнительном слое не менее чем на порядок превышает скорость излучательной рекомбинации. Задачей заявляемого устройства является повышение отношения сигнал/шум МФЧЭ. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ), включающая широкозонную полупроводниковую подложку, толщина которой не менее чем на порядок превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда, расположенное на лицевой стороне подложки просветляющее диэлектрическое покрытие и расположенные на тыльной стороне подложки фоточувствительные элементы (ФЧЭ) с узкозонным активным слоем, отличающаяся тем, что МФЧЭ содержит дополнительный слой, расположенный между подложкой и просветляющим диэлектрическим покрытием, ширина запрещенной зоны дополнительного слоя не превышает ширину запрещенной зоны подложки и превышает ширину запрещенной зоны узкозонного активного слоя ФЧЭ, а скорость безизлучательной рекомбинации неосновных носителей в дополнительном слое не менее чем на порядок превышает скорость излучательной рекомбинации.

2. МФЧЭ по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительный слой легирован глубокой примесью.

3. МФЧЭ по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическое покрытие имеет встроенный заряд, знак которого совпадает со знаком основных носителей заряда дополнительного слоя.