Инфракрасные системы «смотрящего» типа

МАТРИЧНЫЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ. НА СОЕДИНЕНИИ «КАДМИЙ-РТУТЬ-ТЕЛЛУР»

Охлаждаемые приемники на базе соединения Нд,_хСс1хТе (КРТ-приемники) широко
используются в ИКС «смотрящего» типа. Механизм их работы основан на принципе
собственной фотопроводимости полупроводников [26, 89, 90, 99, 104, 151, 184, 194,
233, 261 и др.].

Важным свойством КРТ-приемников является возможность менять положение гра-
ничной длины волны спектральной характеристики, изменяя относительное содержа-
ние ртути и кадмия (рис. 7.6). У большинства выпускаемых сегодня КРТ-приемников

Граничная длина волны лежит в диапазоне
6...20 мкм. В то же время имеются сведения о
возможности довести ее значение до 120 мкм,
что представляет большой интерес для ряда
применений таких МПИ в астрономии [80]. Эти
приемники с достаточно большим квантовым
выходом (> 65%) и сравнительно небольшой
скоростью генерации носителей требуют охла-
ждения до 77...90 К в диапазоне 8... 12 мкм и
до 120...200 К в диапазоне 3...5 мкм, что выше
температур, при которых работают многие дру-
гие фотонные приемники ИК-излучения того
же спектрального диапазона. Тем самым уде-
шевляется и упрощается система охлаждения
приемника и увеличивается время наработки
ИКС до отказа.

Одной из технологических проблем созда-
ния высококачественных КРТ-приемников,
особенно с большим значением Хгр, является
необходимость жестко контролировать одно-

Родность состава материала МПИ по всему чувствительному слою. Так, чтобы сохра-
нить разброс чувствительности отдельных элементов приемника, работающего в спек-
тральном диапазоне 8... 12 мкм, в пределах 10%, необходимо поддерживать постоянст-
во концентрации кадмия (значение х) с допуском 0,002 на площадке диаметром 10 мм
[80, 217].

Используя непосредственно в процессе изготовления приемника молекулярно-
лучевую эпитаксию с контролем процесса нанесения тонких (3...4 мкм) промежуточ-
ных слоев из СсШтГе применительно к так называемым альтернативным подложкам из
СаАв и 81, удается изготавливать высококачественные КРТ-приемники и, что очень
важно, заметно снизить их стоимость по сравнению с приемниками, где слой КРТ на-
носится на подложку из Сс£пТе [217].

В настоящее время удается наносить эпитаксиальные слои КРТ площадью до не­скольких десятков квадратных сантиметров. При увеличении числа элементов и уменьшении их размеров определяющим фактором качества этих МПИ стала емкость ячеек схем считывания сигналов. Новые схемы считывания, разработанные в послед­ние годы (см. гл. 10), позволяют компенсировать ухудшение качества МПИ (увеличение ДГ„) из-за уменьшения размеров элемента и емкости ячеек схемы считывания.

Следует отметить, что при температурах охлаждения порядка 77 К и менее в гиб­ридных конструкциях, в которых элементы чувствительного слоя, выполненные из по­лупроводниковых соединений типа КРТ, соединены со схемой считывания индиевыми столбиками между матрицей МПИ и ячейками этой схемы, возникают механические напряжения. По мере увеличения формата МПИ эти напряжения и сопутствующие им деформации становятся все заметнее. Некоторые пути уменьшения влияния этих фак­торов рассмотрены в [174].

Матричные ФПУ на базе КРТ и ИКС на их основе с высокой степенью коррекции геометрического шума разрабатываются рядом фирм. Так, компания «Sofradir» (Фран­ция) выпускает матрицы из КРТ для работы в диапазоне 3...5 мкм в формате 320x240 (повышенного качества) и 640x480 элементов (среднего качества). Для МПИ, рабо­тающих в диапазоне 8... 12 мкм, предпочтителен формат 320x240 элементов. При шаге элементов 30 мкм, коэффициенте заполнения, близком к 100%, емкости ячейки 5 пФ (3,1-Ю7 электронов) и номинальной частоте кадров до 50 Гц (при одном выходе) фор­маты матриц одинаковы и не зависят от спектрального рабочего диапазона. В ближай­шем будущем эта фирма предполагает начать промышленный выпуск фотодиодных гибридных матриц на эпитаксиально выращиваемых слоях с размером пикселов поряд­ка 20 мкм и ДГП менее 0,15 К в спектральном диапазоне 8,5... 11 мкм при охлаждении до 90 К и частоте кадров 200 Гц [260].

Для ближневолнового ИК-диапазона 1,0...2,5 мкм компания «Sofradir» разработала KPT-матрицы форматом 320x256 пикселов размером 30 мкм, работающие при темпера­туре охлаждения 150... 180 К, т. е. с использованием термоэлектрических или пассив­ных охлаждающих устройств. У этих чувствительных элементов среднее значение квантовой эффективности приемников достигает 80%. Уменьшая граничную длину волны до 2,5 и даже до 2,2 мкм и работая с небольшими потоками, приходящими на МПИ, удается повысить рабочую температуру (температуру охлаждения) до 215 и 240 К соответственно при температуре окружающей среды 280...290 К [104]. Коэффи­циент заполнения этих МПИ превышает 0,9; схема считывания с четырьмя выходами позволяет образовывать выходные сигналы с частотой, достигающей 4 МГц.

Такие МПИ предполагается использовать в системах контроля и дистанционного зондирования (многоканальные видеоспектрометры), где важнейшим параметром ИКС является отношение сигнал-шум на выходе отдельных пикселов ФПУ. При диафраг - менном числе объектива /<=1,1, частоте кадров 50 Гц, времени накопления 10 мс и ско­рости поступления фотонов на приемник 1,1 ТО8 фотон/с среднее значение отношения сигнал-шум составило 820, а его среднее квадратическое отклонение для отдельных пикселов оказалось, равным 73, что соответствует неоднородности чувствительности порядка 8,9% [104].

В ФРГ для средневолнового ИК-диапазона разработаны матричные ФПУ на КРТ формата 256x256 с очень малыми значениями ДГП: менее 7 мК при температуре охлаж­дения 77 К (при размере пиксела 40 мкм, диафрагменном числе объектива К= 1,5 и времени накопления 2,8 с) и формата 384x288 с АТП менее 18 мК при К = 4,6 и времени накопления 10 мс [97]. Такие ФПУ при возрастании рабочей температуры до 130 К мо­гут работать в составе ряда ИКС, уже нашедших практическое применение, например в условиях пожара [96, 98]. Для формата KPT-матрицы 256х256 пикселов размером 40 мкм планируются кадровые частоты до 800 Гц при Д7П < 20 мК и К - 2. Высокую скорость считывания сигналов ~ (72...80) 106 пиксел/с обеспечивают восемь аналого­вых выходов ФПУ при частоте опроса 9... 10 МГц. При этом время накопления состав­ляет 1,2 мс [98].

Группа компаний «Raytheon Infrared Operations» (США) выпускает крупноформатные (640x480) KPT-матрицы с размером пиксела 20 мкм, работающие в том же (3...5 мкм) ИК-диапазоне спектра [93].

Компанией «DRS Infrared Technologies» (США) предложена технология изготовления «вертикально интегрированных» фотодиодных ФПУ форматов 256x256 и 640x480 с вы­соким коэффициентом заполнения для работы в спектральном диапазоне 3...5 мкм при температурах охлаждения несколько более 150 К [174]. С помощью этой технологии можно создать ФПУ для систем как сканирующего, так и «смотрящего» типа, работаю­щих во всех поддиапазонах ИК-спектра, а также двухдиапазонные (двухспектральные) ФПУ. Оптический сигнал поступает на МПИ с лицевой (передней), а не с тыльной (через подложку) его стороны, что позволяет достичь высокого пространственного разрешения.

В [224] сообщается о разработке НПО «Орион» (Россия) охлаждаемых до 77 К фото­диодных KPT-матриц форматов 128х128 и 384x288 пикселов с периодом 35 мкм и разме­рами чувствительного слоя 30x30 мкм. Граничная длина волны спектральной характери­стики этих матриц - 10,5 мкм; удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики - (2...4)-Ю10 Вт~'-см Гц1/2 при апертурном угле 60°.

Для астрономических исследований создаются ФПУ на КРТ очень больших форма­тов. Например, для спектрального диапазона 0,9...2,5 мкм научный центр компании «Rockwell» создал фотоматрицу формата 2048x2048 пикселов с периодом 18 мкм. Раз­новидность этого ФПУ может работать в видимом и ближнем ИК-диапазонах (0,4...5,0 мкм) [99].

В табл. 7.3 приводятся данные о параметрах ряда зарубежных ФПУ на базе КРТ, для которых доля бездефектных пикселов определяется числом элементов с чувствитель­ностью, изменяемой относительно ее среднего значения не более, чем на 30%, а иногда и на ± 50%. Эквивалентная шуму разность температур ДГП для большинства ФПУ оце­нивалась при температуре фона Гф » 300 К. Разброс чувствительности отдельных пик­селов МПИ в проспектах фирм-изготовителей обычно дается как среднее квадратиче­ское значение.

Параметры ФПУ с охлаждаемыми