Многоэлементный фотоприемник Российский патент 2019 года по МПК H01L27/142 H01L31/256 

Изобретение относится к многоэлементным или матричным фотоприемникам (МФП) на основе полупроводниковых материалов, чувствительных в широком спектральном диапазоне, в том числе МФП с фоточувствительной базовой областью на основе различных полупроводниковых материалов, таких как CdxHg1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP и других. Они широко используются в различных отраслях.

Предлагаемая конструкция МФП позволяет повысить выход годных и улучшить однородность параметров МФП в серийном производстве за счет антиотражающего покрытия с уменьшенными механическими напряжениями, которое создают последовательным напылением чередующихся слоев с низким и высоким показателем преломления с толщинами, обеспечивающими минимальное отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов. МФП на основе различных полупроводниковых материалов, таких как Cd_xHg_1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP и других, включают матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонкой базой, соединенной индиевыми микроконтактами с кремниевой большой интегральной схемой (БИС) считывания, на тыльной стороне матрицы фоточувствительных элементов формируют антиотражающее покрытие (АОП), обеспечивающее минимальное отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов на основе используемого полупроводникового материала и, соответственно, минимальные потери падающего на МФП светового потока. Регистрируемое излучение падает на освещаемую сторону МФП, покрытую антиотражающим покрытием, и поглощается в базе полупроводниковых материалов. При поглощении излучения происходит генерация электрон-дырочных пар. Неосновные носители тока (для базы n-типа проводимости это дырки, а для базы р-типа проводимости это электроны) движутся к р-n переходам, генерируя в них фототоки, которые преобразуются в видео изображение.

В известном способе изготовления многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия [RU №2628449 от 16.08.2017 г.], включающем изготовление матрицы фоточувствительных элементов из антимонида индия с тонкой базой, соединенной со схемой считывания индиевыми микроконтактами, минимальное отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов формируют магнетронным напылением сульфида цинка со скоростью осаждения 15-25 нм/мин.

Экспериментально установлено, что известному способу сопутствует существенный недостаток, заключающийся в том, что у некоторых МФП, изготовленных этим способом, наблюдаются области с пониженной чувствительностью. Нагревание МФП до 60-70°С приводит к возрастанию плотности этих дефектов по периметру фоточувствительной матрицы с увеличением длительности тепловой обработки. Об этот свидетельствует изображение тепловой картинки, полученной с использованием этих МФП и представленной на фиг. 1 (Фиг. 1. Изображение тепловой картинки, полученной с использованием МФП с фоточувствительной матрицей формата 640×512 из антимонида индия с антиотражающими покрытиями, сформированными магнетронным напылением сульфида цинка), после напыления АОП ZnS и нескольких последовательных процессов захолаживания и нагревания (15.5 ч. + 23 ч.), после нагревания в термостате 69.5 град 45 часов. Темные участки изображения однородной тепловой картинки соответствуют областям с пониженной чувствительностью.

Известно, что подбором материалов, методов напыления и скорости осаждения слоев, составляющих антиотражающее покрытие, можно получить покрытие с уменьшенными механическими напряжениями. При этом, для создания слоев необходимо найти материалы, не поглощающие излучение в используемом диапазоне длин волн, с высоким и низким показателем преломления.

Проведенные исследования показали, что антиотражающее покрытие, сформированное магнетронным распылением сульфида цинка со скоростью 15-25 нм/мин, обладает значительными механическими сжимающими напряжениями, под действием которых возможна деформация тонкой пластины фоточувствительного полупроводникового материала, опирающейся на жесткое основание через пластичные индиевые микроконтакты (столбики), и, как следствие, уменьшение эффективного времени жизни неосновных носителей тока из-за возрастания роли рекомбинационных процессов в местах наибольшего изгиба.

Относительное изменение кривизны поверхности тестовой пластины под действием механических напряжений, возникающих в процессе напыления антиотражающего покрытия, от скорости и способа формирования, представлено в таблице. Для магнетронного распыления характерны напряжения сжатия. Снижение скорости осаждения сульфида цинка в два раза позволяет незначительно уменьшить напряжения, но приводит к соответствующему увеличению времени напыления. Термические методы резистивного и электронно-лучевого испарения фторида иттрия и кремния, соответственно, позволяют уменьшить напряжения в пленках на порядок. Выбранные материалы прозрачны в диапазонах длин волн 1-3, 3-5, 8-14 мкм и обладают высоким, у кремния, и низким у фторида иттрия показателем преломления. Оптимизирование скорости напыления кремния и фторида иттрия позволяет свести к минимуму величины напряжений в антиотражающем покрытии и тем самым уменьшить механические воздействия на тонкую фоточувствительную область, а выбор толщин слоев с высоким и низким показателем преломления обеспечивает меньшее отражение, чем с использованием сульфида цинка в соответствующем диапазоне чувствительности используемого полупроводникового материала.

Обозначения: ЭЛИ - электронно-лучевое испарение, MP - магнетронное распыление, РИ - термическое резистивное испарение.

Целью настоящего изобретения является улучшение однородности параметров МФП с тонкой фоточувствительной базовой областью на основе различных полупроводниковых материалов, таких как Cd_xHg_1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP и других чувствительных в широком спектральном диапазоне, в том числе 1-3, 3-5, 8-14 мкм, в серийном производстве за счет повышения однородности распределения чувствительности по площади матриц, и, как следствие, повышение выхода годных.

Поставленная цель достигается тем, что в известном многоэлементном фотоприемнике, включающем матрицу фоточувствительных элементов с тонкой базой, соединенных с мультиплексором микроконтактами, на освещаемой стороне МФП создают антиотражающее покрытие с уменьшенными механическими напряжениями последовательным напылением чередующихся слоев с низким и высоким показателем преломления с толщинами, обеспечивающими минимальные отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов на основе используемого полупроводникового материала.

Изображение однородной тепловой картинки, полученное с использованием МФП с фоточувствительной матрицей формата 640×512 из антимонида индия с антиотражающим покрытием, сформированным напылением трехслойного Si-YF₃-Si, с уменьшенными механическими напряжениями после напыления АОП Si-YF3-Si и нескольких последовательных процессов охлаждения и нагревания (15.5 ч. + 23 ч.), после нагревания в термостате 69.5 град 45 часов, представлено на фиг. 2 (Фиг. 2. Изображение однородной тепловой картинки, полученное с использованием МФП с фоточувствительной матрицей формата 640×512 из антимонида индия с антиотражающим покрытием с уменьшенными механическими напряжениями после напыления АОП Si-YF3-Si и нескольких последовательных процессов охлаждения и нагревания (15.5 ч. + 23 ч.), после нагревания в термостате 69.5 град 45 часов

Примеры исполнения подтверждают улучшение однородности параметров МФП с тонкой фоточувствительной базовой областью на основе различных полупроводниковых материалов, таких как Cd_xHg_1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP и других, чувствительных в широком спектральном диапазоне, в том числе 1-3, 3-5, 8-14 мкм, как следствие, приводит к повышению выхода годных.

Многоэлементный фотоприемник с тонкой фоточувствительной базой, включающий матрицу фоточувствительных элементов из одного из полупроводниковых материалов Cd_xHg_1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP, соединенную со схемой считывания индиевыми микроконтактами, с антиотражающим покрытием, обеспечивающим минимальное отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов, отличающийся тем, что антиотражающее покрытие создают с уменьшенными механическими напряжениями последовательным вакуумным напылением кремния методом электронно-лучевого испарения со скоростью осаждения 0,08 нм/с и слоя фторида иттрия методом резистивного испарения со скоростью осаждения 0,7 нм/с. Изобретение обеспечивает возможность улучшения однородности параметров матричного фотоприемника в широком спектральном диапазоне, в том числе 1-3, 3-5, 8-14 мкм, в серийном производстве за счет повышения однородности распределения чувствительности по площади матриц. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Многоэлементный фотоприемник с тонкой фоточувствительной базой, включающий матрицу фоточувствительных элементов из одного из полупроводниковых материалов Cd_xHg_1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP, соединенную со схемой считывания индиевыми микроконтактами, с антиотражающим покрытием, обеспечивающим минимальное отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов, отличающийся тем, что антиотражающее покрытие создают с уменьшенными механическими напряжениями последовательным вакуумным напылением кремния методом электронно-лучевого испарения со скоростью осаждения 0,08 нм/с и слоя фторида иттрия методом резистивного испарения со скоростью осаждения 0,7 нм/с.

2. Многоэлементный фотоприемник по п. 1, с тонкой фоточувствительной базой на основе антимонида индия, в котором антиотражающее покрытие с уменьшенными механическими напряжениями создают последовательным вакуумным напылением трехслойного покрытия, состоящего из слоя кремния толщиной 15,2 нм, слоя фторида иттрия толщиной 287 нм и слоя кремния толщиной 89,7 нм.

3. Многоэлементный фотоприемник по п. 1, с тонкой фоточувствительной базой на основе CdxHg1-xTe, в котором антиотражающее покрытие с уменьшенными механическими напряжениями создают последовательным вакуумным напылением покрытия, состоящего из слоя фторида иттрия толщиной 1013,0 нм и слоя кремния толщиной 594 нм для х=0.2.

4. Многоэлементный фотоприемник по п. 1, с тонкой фоточувствительной базой на основе InGaAs, в котором антиотражающее покрытие с уменьшенными механическими напряжениями создают последовательным вакуумным напылением покрытия, состоящего из слоя фторида иттрия толщиной 457,4 нм и слоя кремния толщиной 199,6 нм.

5. Многоэлементный фотоприемник по п. 1, с тонкой фоточувствительной базой на основе QWIP, в котором антиотражающее покрытие с уменьшенными механическими напряжениями создают последовательным вакуумным напылением покрытия, состоящего из слоя кремния толщиной 679,4 нм, слоя фторида иттрия толщиной 619 нм и слоя кремния толщиной 154,5 нм.