Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ (НА КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ЯМАХ)

В последние годы в качестве альтернативы МПИ на базе КРТ разрабатываются охлаждаемые МПИ на гетероструктурах с внутренней фотоэмиссией - фотоприемни­ки с квантовыми ямами или ячейками (ФКЯ, Quantum Well Infrared Photodetector - QWIP). Эти высокоомные приемники с примесной фотопроводимостью создаются на основе полупроводниковых сверхрешеток А3В5, для чего в полупроводниках с широ­кой запрещенной зоной методами молекулярно-лучевой эпитаксии формируются че­редующиеся потенциальные ямы. Расстояние между возбужденным (верх ямы) и ос­новным (дно ямы) состояниями подбирается так, чтобы в них кроме основного со­стояния электронов с уровнем, близким ко дну ямы, помещалось только одно возбу­жденное состояние, уровень которого близок к верхней границе ямы. Фотоны с энер­гией, соответствующей энергии перехода со дна ямы наверх, переводят электроны с нижнего уровня на верхний, создавая при приложении внешнего напряжения ток фо­топроводимости.

Наиболее известные образцы ФКЯ состоят из чередующихся слоев ваАв и А^а^Ав, где ОаАэ - слой с ямами (~10.. .40 А), а А1хОа1_хАз (или для упрощения записи АЮаАэ) об­разуют барьерные слои (-100.. .500 А), а также из слоев ЬЮаАз/АЮаАз и ЬЮаАзЛпАЬАа В направлении, перпендикулярном поверхности барьерных слоев, слой с ямами образует дискретные электронные уровни. При легировании донорами образуются носители, ко­торые могут быть возбуждены ИК-фотонами и стать свободными.

Структура приемника с квантовыми ямами на базе ОаАз/АЦСа]Аб состоит из ваАБ-подложки, на которую последовательно наносятся: А1Аз-слой, первый ваАБ - контактный слой, сверхрешетка СаАз/А^ва^Ав, второй ваАв-контактный слой, кото­рый индиевым столбиком соединяется со схемой считывания. На первый ОаАэ-кон - тактный слой наносится общий контакт. Из­лучение поступает на приемник со стороны подложки.

Из-за низкой чувствительности фоторези­сторов «-типа из ОаА8/А1хОа1_хА8 к излуче­нию, падающему на них по нормали, для по­вышения поглощения фотонов поверхность второго ОаАз-контактного слоя часто делают рифленой (в виде одно - или двумерной ди­фракционной решетки), вытравливая на ней У-образных бороздки. Например, в ФКЯ, из­готовленных в Институте физики полупро­водников СО РАН, период решетки составля­ет 2,8...3,0мкм, а глубина бороздок - 0,7...0,8мкм. При отражении излучения от такой поверхности возникает компонента электрического поля с сильным поглощени­ем. Кроме того, этот контактный слой и слой А1Аз образуют оптический резонатор, что также ведет к увеличению поглощения фотонов.

Оптические и электрические свойства ОаАз/А1хСа|_хАз-ФКЯ определяются тремя основными факторами: толщиной слоя с ямами, концентрацией А1 (т. е. значением х) и легированием слоя с ямами. Максимум сравнительно узкой спектральной характе­ристики ФКЯ можно смещать, изменяя ширину квантовых ям и высоту барьеров пу­тем регулировки концентрации А1, т. е. х, в слоях А^а^Ав. На рис. 7.7 в качестве примера приведена типичная спектральная характеристика ФКЯ с максимумом чув­ствительности на А. тах = 8,3 мкм при температуре охлаждения 40 К и напряжении смещения 1 В.

Достаточно высокая чувствительность ФКЯ часто позволяет использовать их в соче­тании с объективами, имеющими сравнительно небольшие диафрагменные числа К.

На рис. 7.8 приведены зависимости темнового тока /т ФКЯ-приемника на основе 50- периодной сверхрешетки ОэАб /АЮаАБ от температуры охлаждения Т для различных длин волн, соответствующих максимуму спектральной чувствительности [108].

При достаточно глубоком охлаждении (до 40...77 К) ФКЯ на базе GaAs/AlGaAs мо­гут обнаруживать ИК-излучение в диапазоне 8... 12 мкм, а при охлаждении до еще бо­лее низких температур - до длин волн порядка 20 мкм. Приемники на базе ФКЯ свободны от 1^шума. Их характеристики весьма стабильны и линейны при изменении мощности па­дающего излучения на шесть порядков. При времени интегрирования сигнала около 10 мс и охлаждении структур GaAs/GaAlAs до 40.. .77 К эквивалентная шумам разность темпера­тур ДГП может достигать 0,03 К и менее.

Последние 10 лет фотоприемники на квантовых ямах, которые могут работать в ши­роком диапазоне спектра (от 1.. .3 до 20 и даже 30 мкм), быстро совершенствуются [74, 89, 90, 103, 108, 127, 132, 133, 134, 190, 191, 217]. На их основе были созданы много­диапазонные (многоцветные) приемники и приемники с управляемой спектральной ха­рактеристикой. Приемники на базе ФКЯ, работающие в длинноволновом ИК - диапазоне, имеют высокую чувствитель­ность к состоянию поляризации падающе­го на них излучения, что позволяет создать ИКС, собирающие или использующие до­полнительную информацию о просматри­ваемой сцене.

Технология материалов группы III—V, которые используются для ФКЯ, отработа­на лучше, чем технология материалов групп II—VI, используемая при изготовле­нии приемников на базе КРТ. Поэтому од­нородность чувствительности отдельных элементов ФКЯ достаточно высока, а стоимость меньше по сравнению с КРТ- приемниками.

Основными недостатками ФКЯ пока остаются невысокая квантовая эффективность по сравнению с KPT-приемниками, а также большие тепловые темновые токи при работе в диапазоне 8... 14 мкм и охлаждении до температур выше 70 К (рис. 7.9) [133,191].

В ФКЯ при рабочих температурах более 45 К возрастание темнового тока ведет к уменьшению граничной длины волны спектральной характеристики до 8... 12 мкм. При ^гр<10 мкм к охлаждению ФКЯ предъявляются менее жесткие требования, чем к при­емникам на основе примесной фотопроводимости и на базе барьеров Шотки.

Квантовая эффективность ряда МПИ на базе ФКЯ с рифленой поверхностью обычно менее 10%, но иногда достигает 20 и 25% для граничных длин волн Атр = 11,2 и 16,2 мкм соответственно. При этом удельная обнаружительная способ­ность составляет 2,6-1011 Вт-1-смТц1/2 (для Аф = 11,2 мкм при температуре охлажде­ния 63 К) и 21011 Вт_,смТц1/2 (для = 16,2 мкм при температуре 42 К).

При уменьшении темнового тока можно повысить рабочую температуру и кванто­вую эффективность ФКЯ. Совершенствование конструкции ФКЯ позволяет заметно
снизить скорость термогенерации носителей. Например, в [271] сообщается о создании ФКЯ на базе слоев 1п(ЗаА1/1пА1А8 с длинноволновой границей спектральной характери­стики 8,1 мкм, обнаружительная способность которого при охлаждении до 77 К огра­ничивается фоном при угловом поле приемника в 90 .

При рабочих температурах ниже 70 К отношение сигнал-шум ФПУ на ФКЯ зависит, в первую очередь, от неоднородности фотоприемника, шумов мультиплексора (схемы счи­тывания) и дробового, или радиационного, шума. При температурах выше 70 К преобла­дающим становится темновой ток ФКЯ, возрастание которого ведет к уменьшению ем­кости и насыщению ячеек цепи считывания сигналов, куда поступают заряды. По­скольку ФКЯ - высокоомное устройство, это снижает эффективность накопления заря­дов на интегрирующей емкости мультиплексора.

Один из недостатков ФКЯ вызван необходимостью иметь сравнительно большое время накопления зарядов, чтобы компенсировать малую квантовую эффективность и обеспечить малые А7’п. Так, время накопления таких приемников достигает десятков миллисекунд при низких освещенностях и низких температурах сцены. При использо­вании ФКЯ в условиях наземных фонов (1017фотон/(см2-с) и более в спектральном диа­пазоне 8... 14 мкм) проблема быстродействия не возникает. Вообще же для обеспечения работы этих приемников в длинноволновой ИК-области (8...14 мкм) необходима весь­ма низкая рабочая температура охлаждения (< 40...60 К), что считается основным не­достатком ФКЯ.

На рис. 7.10 показаны частотные характеристики чувствительности ФКЯ при раз­личных напряжениях смещения V для рабочей температуры 40 К и освещенности 1,2-1014 фотон/(см2 с). Сравнительно небольшие изменения частотных характеристик обусловлены изменением напряжения смещения. Спад частотных характеристик начи­нается примерно на одних и тех же частотах.

Частотная зависимость нормализованной чувствительности ФКЯ при напряжении смещения Г= -2 В от уровня облученности (числа фотонов с = 8,3 мкм, падающих на поверхность приемника в единицу времени) приведена на рис. 7.11. Очевидно, что чувствительность ФКЯ начинает уменьшаться при низких облученностях (энергетиче­ских освещенностях) уже на частотах порядка 1 Гц.

Спектр шума ФКЯ с рабочей температурой 40 К при напряжении смещения -2 В для нескольких значений освещенностей при Л^пах = 8,3 мкм показан на рис. 7.12.

Матрицы ФКЯ успешно соперничают с крупноформатными KPT-матрицами при небольших кадровых частотах. Уже никого не удивляет формат ФКЯ-матриц 320х240, а большинство ведущих фирм-изготовителей этих МПИ освоило формат 640x480. Рабочая температура ФКЯ ограничивается тепловым шумом, меньшим уровня 1 /^шума. Эти МПИ успешно работают как двухдиапазонные приемники с очень малым перекрытием спектральных характеристик в отдельных рабочих диапа­зонах.

В [97] описываются разработки фирм «AIM AEG Infrafot-Module GmbH» и «ТЕМ1С Semiconductors GmbH» совместно с Институтом Фраунгофера (ФРГ) ФПУ на ФКЯ формата 640x512 с температурой охлаждения 60...65 К. Эквивалентная шуму разность температур составляла около 19 мК при работе в средневолновом ИК-диапазоне и око­ло 27 мК при переходе в длинноволновый ИК-диапазон при апертурах внутренней (располагаемой внутри дьюара системы охлаждения) охлаждаемой диафрагмы FI2 и внешней F!3,5. Частота кадров - 30 Гц, температура фона близка к 300 К.

ЕГ £ Ш Cf
Ы >’°
0,8
О £
10~
0,4
2 3	2 3
10
10
В О
ЕГ
Рис. 7.12. Спектр шума ФКЯ при облученности, фотон/(см2с): 1,7х1015( );1,2х 1015( -*-); 7,3х1014 (-•-); 5,5x1014 (-*-); 3,7хЮ14( ); 2,ЗхЮ14( ); 9,2хЮ12(-*-)

В [133] приводятся параметры ФКЯ с£)*= 1,8-Ю11 Вт-1-смТц,/2 и граничной длиной волны в области 8...9 мкм при охлаждении фотоприемника до 70 К. У таких ФКЯ об - наружительная способность при напряжении питания порядка 2 В и диафрагменном числе К =2 ограничивается флуктуациями излучения фона с температурой 300К. На базе этого фотоприемника форматом 640x484 элементов с размерами 18x18 мкм и пе­риодом их расположения 25 мкм был создан опытный образец тепловизионной камеры с объективом из просветленного германия с фокусным расстоянием 100 мм и угловым полем 9,2x6,9 град. Неоднородность чувствительности отдельных элементов без специальной схе­мы коррекции составила 10%, причем сюда входит неоднородность схемы считывания сиг­налов - 1% и неоднородность, вызываемая неодинаковым по полю влиянием охлаждаемой диафрагмы, помещенной перед МПИ, - 1,4%. Камера обеспечила ДТп = 0,043 К. При вводе специальной двухточечной схемы коррекции неоднородность снижается до 0,1%. Частота кадров составила 30 Гц; зарядовая емкость ячейки считывания сигнала с одного пиксела МПИ при Т= 70 К равна 9-106 электронов (сюда входит максимальное число фотоэлектро­нов сигнала и темновой ток за время накопления в каждом элементе МПИ). Ожидается, что ряд усовершенствований (оптимизация конструкции решетки, через которую излучение поступает на слой ФКЯ и которая увеличивает эффективность фотонов, нанесение проти - воотражающего покрытия на заднюю поверхность МПИ, оптимизация мультиплексора) позволит достичь длинноволновой границы чувствительности 9 мкм при охлаждении ФКЯ до 77 К.

В Институте физики полупроводников СО РАН созданы ФКЯ-МПИ, работающие в спектральном диапазоне 7,5...8,8 мкм, формата 128x128 пикселов с периодом 50 мкм и размером чувствительного элемента 40 мкм. При диафрагменном числе К= 1,6 и частоте кадров 50 Гц этих приемников ДТп= 21 мК при температуре охлаждения 54 К и 60 мК при 65 К [217].

Все еще остается достаточно низкой рабочая температура охлаждения большинства ФКЯ-МПИ и ФПУ на их основе (45.. .60 К), однако имеются сообщения о попытках повы­сить эту температуру до 77 К. Одновременно ведутся разработки неохлаждаемых ФКЯ- приемников для систем дистанционного зондирования окружающей среды и лазерной свя­зи на высоких частотах (несколько гигагерц), а также для двухдиапазонных ИКС, прини­мающих лазерное излучение в ближнем ИК-диапазоне и тепловое излучение в длинновол­новом участке ИК-спектра.

В табл. 7.6 приводятся параметры некоторых других ФПУ на базе ФКЯ, разработан­ных за рубежом.