ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 2009 года по МПК H01L27/14 

Предлагаемое фотоприемное устройство предназначено для использования в оптоэлектронных приборах, в частности в формирователях сигналов изображения, расположенных в фокальной плоскости.

Известны фотоприемные устройства, составляющие смотрящую мозаичную фокально-плоскостную сборку, содержащую пакет модулей, в которых фотоприемные матрицы расположены на торцевой поверхности модуля, а элементы управления и обработки сигналов размещены на лицевой стороне (см. например, D.I.Carlson, A.D.Marcum, R.S.Spriggs, "Z-packaging technology for focal-plane assembly",SPIE Proc., 244, 103 (1980)).

Недостатками этих устройств являются чрезвычайная сложность изготовления, низкий процент выхода годных, невысокая разрешающая способность, обусловленная гибридным способом осуществления межсоединений между фотоприемными матрицами и подложкой модуля.

Из известных фотоприемных устройств наиболее близкими по технической сущности являются формирователи сигналов изображения, расположенные в фокальной плоскости и выполненные по планарной гибридной технологии (см. Chan W.S., ″Focal Plane Architecture: An Overview″, SPIE Proc., 217, 2 (1980)).

В этом устройстве матрицы фотоприемников, образующие регулярную структуру столбцов и строк, и элементы управления и обработки сигнала расположены на одной подложке, размещенной в фокальной плоскости перпендикулярно направлению излучения. При этом активная площадь, занимаемая непосредственно фотоприемными элементами, невелика по сравнению с площадью всей подложки, что определяет низкую эффективность использования фокальной плоскости.

Целью настоящего изобретения является увеличение эффективности использования фокальной плоскости.

Указанная цель достигается тем, что в известном фотоприемном устройстве, содержащем, по крайней мере, один фотоприемный модуль, состоящий из подложки c расположенными на ней в одной плоскости матрицами фотоприемников, образующих периодическую структуру столбцов и строк, и элементами управления и обработки сигналов, подложка расположена под углом α к направлению излучения, а под углом β к ней размещены зеркала с отражающей поверхностью, направленной к матрицам фотоприемников, при этом углы α и β связаны соотношением α=2β-90°, где 0°<β<90°, а фотоприемные модули совмещены в один или несколько рядов.

В фотоприемных устройствах, составляющих мозаичную фокально-плоскостную сборку (см. D.I.Carlson, A.D.Marcum, R.S.Spriggs, "Z-packaging technology for focal-plane assembly", SPIE, 244, 103 (1980)), фотоприемные матрицы расположены на торцевой поверхности модулей и находятся в фокусе оптической системы, а элементы управления и обработки сигнала удалены за пределы фокальной плоскости. Несмотря на эффективность использования фокальной плоскости, данная конструкция характеризуется низкой разрешающей способностью, обусловленной гибридным способом сборки фотоприемных матриц к торцевой поверхности подложек модулей, сложностью изготовления, низким процентом выхода годных. Предлагаемое введение зеркал и взаимное расположение матриц фотоприемников и зеркал по отношению к направлению излучения позволяет разместить матрицы и элементы управления и обработки в одной плоскости, чем устраняются указанные недостатки. В технической литературе фотоприемные устройства, обладающие аналогичной конструкцией, не обнаружены. Таким образом, предлагаемое устройство обладает новой совокупностью признаков и соответствует критерию "существенные отличия".

Повышение эффективности использования фокальной плоскости обеспечивается удалением элементов управления и обработки сигналов за пределы фокальной плоскости при интегральном исполнении фотоприемного устройства, при этом достигается большая плотность размещения фотоприемных элементов в фокусе оптической системы, улучшением разрешающей способности устройства за счет уменьшения размеров фоточувствительных элементов и возможностью увеличения площади, выделяемой под элементы управления и обработки сигнала за пределами фокальной плоскости. Кроме этого предлагаемое устройство позволяет повысить степень экранирования фотоприемных элементов от фонового излучения за счет того, что фоновое излучение частично отражается от зеркал, не попадая на фотоприемные элементы, а также экранируется конструкцией модуля. Для известного устройства фоновое излучение попадает на фотоприемные элементы под пространственным углом 2π, если не используется специальная экранировка. Особенно жесткие требования к экранировке предъявляются при регистрации теплового излучения, когда необходимо для уменьшения фонового излучения использовать охлаждаемые экраны.

На фиг.1-6 показаны возможные варианты конструкции фотоприемного устройства.

На фиг.1 представлен один фотоприемный модуль. На подложке 1, расположенной под углом α к направлению излучения, в одной плоскости расположены фотоприемные матрицы 2, образующие периодическую структуру рядов и столбцов, и элементы управления и обработки сигнала 3. Под углом β к подложке 1 на подложке 4 расположены зеркала 5, отражающая поверхность которых направлена к фотоприемным матрицам, и обеспечивающие отражение падающего под углом α к подложке 1 излучения на фоточувствительные элементы. Углы α и β подчиняются соотношению α=2β-90°, где 0°<β<90°. Аналитическое выражение, связывающее углы α и β, получено из требования нормального угла падения на матрицы отраженного от зеркал излучения. При расположении подложки 1 параллельно ходу лучей (α=0) угол β=45°. Однако в некоторых случаях более технологично изготовлять зеркала на подложках под углом β, отличным от 45°. Например, анизотропное травление кремниевой подложки с ориентацией {100} по направлению <100> обеспечивает угол β≈54°. В этом случае α≈18°. В общем случае угол β может изменяться в пределах от 0° до +90°. При β=90° подложка 1 расположена перпендикулярно направлению излучения, что приводит к конструкции, аналогичной прототипу. Минимальный угол β_мин ограничивается конструктивными размерами подложки 1, фотоприемных матриц 2 и зеркал 5, которые при β<β_мин создают "слепые" зоны в изображении, попадающем на фотоприемные матрицы.

Элементы управления обеспечивают работу фотоприемных матриц по заданным временным диаграммам. Фоточувствительные элементы матриц преобразуют энергию излучения в электрический сигнал, который представляется элементами обработки в удобной для дальнейшей передачи форме. Высокая эффективность использования фокальной плоскости обеспечивается введением зеркал и взаимным расположением матриц и зеркал по отношению к направлению излучения, что приводит к выведению элементов управления и обработки сигналов за пределы фокальной плоскости.

Расширение пространственной области использования изображения может быть достигнуто совмещением модулей, как показано на фиг.2. На подложке 1 с обеих сторон симметрично размещены фотоприемные матрицы 2 с элементами управления и обработки 3 и две идентичные подложки 4 с зеркалами 5. Линия совмещения модулей представлена штриховой линией, при этом подложки 1 могут представлять единое целое. Данный вариант фотоприемного устройства имеет следующую особенность. Из-за конечной толщины подложек 1 и фотоприемных матриц 2 появляется слепая зона АВ, при этом часть изображения теряется.

Этот недостаток устраняется в вариантах фотоприемного устройства, показанных на фиг.3, 4 и 5. На подложках 1 фиг.3 размещены фотоприемные матрицы 2 и элементы управления и обработки сигналов 3, а подложка 4 с зеркалами 5 обеспечивает распределение лучей на обе подлодки 1 без "слепой" зоны, что позволяет обеспечить оптическое совмещение рядов матриц без пропусков. Фотоприемное устройство, показанное на фиг.4, содержит соединенные между собой модули, изображенные на фиг.3. При этом обеспечивается заполнение требуемой площади изображения. В случае использования фотоприемных модулей с различной спектральной характеристикой чувствительности образуется многоспектральное фотоприемное устройство с высокой эффективностью использования изображения в фокусе оптической системы. Например, размещение фотоприемных кремниевых ПЗС-матриц на трех фотоприемных модулях с оптическими фильтрами 6 (красный, синий и зеленый фильтры) обеспечивает регистрацию цветного изображения. Возможно также соединение фотоприемных модулей, образующих фотоприемное устройство, как показано на фиг.5.

Минимальный размер "слепых" зон для фотоприемных устройств, изображенных на фиг.2. 3 и 4, обеспечивается при β=45°, т.е. при расположении подложек параллельно направлению излучения (α=0).

Матрицы фотоприемников, элементы управления и обработки сигнала могут быть выполнены на подложке 1 как в гибридном, так и в монолитном вариантах.

Минимальное расстояние между подложками 1 в вариантах, изображенных на фиг.3, 4 и 5, должно быть не менее величины размера столбца фотоприемной части модуля, а максимальное расстояние ограничено, например, условием получения резкого изображения на матрицах фотоприемников.

Конкретный вариант исполнения фотоприемного устройства в соответствии с фиг.1 приведен на фиг.6. На ситалловой подложке 1 размещен ряд кремниевых ПЗС-матриц 2, формирователи тактовых импульсов 7, управляющих работой ПЗС-матриц по заданной временной диаграмме, и предусилители 8. Межсоединения 9 между кристаллами 2, 7 и 8 осуществляются посредством проволочной сборки. На другой ситалловой подложке 4 под углом 45° сформирована зеркальная поверхность 5 методом механической обработки подложки 4 с последующим нанесением серебряного покрытия и изготовлены карданы 10 под кристаллы 2, 7 и 8. Подложки 1 и 4 соединяются друг с другом посредством клеевого соединения. Модуль устанавливается таким образом, чтобы падающее под углом 45° к зеркальной поверхности излучение попадало на фотоприемные элементы.

В предлагаемом устройстве один фотоприемный модуль при толщине ситалловой подложки 0,5 мм и высоте столбца матриц 1 мм занимает в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, площадь S=2×h мм², где h, мм - длина строки матриц. В прототипе занимаемая площадь равна S=(20-25)·h, мм². Следовательно, эффективность заполнения фокальной плоскости по сравнению с прототипом увеличивается примерно на порядок.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство увеличивает эффективность использования фокальной плоскости оптической системы примерно на порядок и может быть использовано при создании многоспектральных сканирующих систем с высокой степенью интеграции.

Фотоприемное устройство содержит, по крайней мере, один фотоприемный модуль, включающий подложку с расположенными на ее рабочей стороне одной или несколькими фотоприемными матрицами, находящимися в фокусе изображения, элементами управления и обработки сигнала, связанными между собой электрической связью. Подложка расположена под углом α к направлению излучения. Фотоприемные матрицы размещены по ходу излучения в столбец. Элементы управления и обработки сигнала помещены относительно матриц вне фокальной плоскости, а перед матрицами установлено зеркало под углом β к подложке. Углы α и β связаны соотношением: α=(2β-90°), 0<β<90°. Фотоприемные модули образуют периодическую структуру столбцов и рядов матриц путем расположения рабочей стороны подложек, по крайней мере, в одной плоскости. Рабочие стороны подложек расположены в двух плоскостях под углом 2α между ними и симметрично относительно плоскости симметрии, лежащей вдоль направления излучения. Шаг расположения матриц в ряде составляет α=2L. Рабочие стороны подложек одной плоскости обращены к рабочей стороне подложек другой плоскости. Ряды фотоприемных матриц двух плоскостей смещены относительно друг друга вдоль ряда на длину L, а зеркала каждого из фотоприемных модулей пересекают плоскость симметрии по одной прямой линии. Подложки с фотоприемными матрицами имеют толщину W≥h•tgβ, где h - высота столбца фотоприемных матриц, установленных вплотную друг к другу, и на нерабочей стороне каждой последующей подложки выполнено зеркало, обращенное к рядам фотоприемных матриц, расположенным на предыдущей подложке. Технический результат - увеличение степени интеграции фотоприемных матриц в фокальной плоскости и повышение степени экранирования фотоприемных матриц от фонового излучения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Фотоприемное устройство, содержащее, по крайней мере, один фотоприемный модуль, включающий подложку с расположенными на ее рабочей стороне одной или несколькими фотоприемными матрицами, находящимися в фокусе изображения, элементами управления и обработки сигнала, связанными между собой электрической связью, отличающееся тем, что, с целью увеличения степени интеграции фотоприемных матриц в фокальной плоскости и повышения степени экранирования фотоприемных матриц от фонового излучения, подложка расположена под углом α к направлению излучения, фотоприемные матрицы размещены по ходу излучения в столбец, элементы управления и обработки сигнала помещены относительно матриц вне фокальной плоскости, а перед матрицами установлено зеркало под углом β к подложке, причем углы α и β связаны соотношением:

α=(2β-90°), 0<β<90°.