Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ PtSi/Si, GeSi/Si и InSb, РАБОТАЮЩИЕ В ДИАПАЗОНЕ 3…5 мкм

В области контакта металла с полупроводником образуется потенциальный барьер, обусловленный пространственным зарядом в полупроводнике и называемый барьером Шотки. В настоящее время для работы в диапазоне 3...5 мкм широко используются МПИ на базе барьеров Шотки PtSi/Si, охлаждаемые до 77 К и называемые часто просто МПИ на базе PtSi [4, 89, 172, 243, 263, 268]. Эти приемники изготавливают из кремния и металлов (Pt, Ge, Ir), которые, вступая в химическую реакцию, образуют силициды. В качестве металла чаще всего выбирают платину. Барьер Шотки, т. е. тонкий слой сили­цида платины PtSi, формируется специальной термообработкой пленки платины, нане­сенной на поверхность кремния, т. е. на границе раздела Si—PtSi.

В фотодиодах с барьерами Шотки процессы генерации и рекомбинации носителей происходят не в объеме полупроводника и не в его поверхностном слое, а в слое сили­цида, образующего барьер. Поэтому здесь практически отсутствуют перекрестные ис­кажения, а квантовая эффективность не зависит от параметров полупроводника и их разброса по площади чувствительного слоя. Благодаря этому в таких приемниках неод­нородность чувствительности во много раз меньше, чем в МПИ других типов (разброс чувствительности не больше 0,5... 1,5%). В то же время аддитивная составляющая гео­метрического шума (разброс темновых токов) в фотодиодах с барьерами Шотки суще­ственно превышает разброс чувствительности, а кроме того, следует учитывать разброс коэффициентов передачи схем считывания и первичной обработки сигналов.

После формирования барьера на тонкую пленку PtSi наносится диэлектрический слой Si02, а затем зеркальный слой алюминия. Лицевая сторона из Si покрывается просветляющим слоем. Таким образом между зеркальным и просветляющим слоями образуется резонатор, значительно увеличивающий поглощение, т. е. квантовую эф­фективность, благодаря многократному отражению в нем падающего на приемник излучения. Эти приемники имеют высокую плотность заполнения общей площади МПИ малоразмерными чувствительными элементами. Достоинством МПИ на базе барьеров Шотки PtSi/Si является и то, что для них удается использовать хорошо осво­енную технологию изготовления кремниевых интегральных схем, что позволяет соз­давать крупноформатные МПИ со значительно большей долей выхода годных изде­лий, чем в МПИ на КРТ.

Недостатками матриц из PtSi является низкая квантовая эффективность и ограни­ченный спектральный диапазон чувствительности. Для этих МПИ при изменении тем­пературы фона от 293 К до 253 К значение ДТп может изменяться (ухудшаться) почти на порядок. Из-за отражения на границах различных материалов внутри кристалла воз­можно заметное растекание зарядов и появление ореолов вокруг «горячих точек» на изображении.

В МПИ с барьерами Шотки к основным составляющим общего шума относятся: фо­тонный шум, обусловленный флуктуациями процесса излучения фотонов источником и их поглощением приемником; дробовый шум фотодиода, вызванный флуктуациями числа термогенерируемых носителей, преодолевающих потенциальный барьер; тепло­вой шум Джонсона.

Промышленностью выпускаются приемники на базе PtSi самых различных форма­тов. В качестве примера можно указать фирму «Mitsubishi Electric Corporation» (Япо­ния), которая изготавливает ряд МПИ форматов от 256x256 до 1040x1040 с размерами пикселов от 26x20 до 17x17 мкм и коэффициентами заполнения от 39 до 71%. Токовая чувствительных отдельных элементов достигает 5*10-2 А/Вт (на X = 3 мкм) и 510“3 А/Вт (на % = 5 мкм) [172].

ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург) разработал МПИ ISD 200М и ISD 201М, а также фотоприемник ФППЗ БШ 22М, охлаждаемый до 77...79 К и чувствительный в диапа­зоне 1,1...5,0 мкм. Формат последнего равен 256x256 пикселов с периодом 40x40 мкм, размеры чувствительного слоя - 18 мкм по горизонтали и 30 мкм по вертикали. Напряже­ние насыщения - не менее 0,5 В, а интегральная чувствительность - не менее 1,5Т09 В/Вт на элемент. Пороговая экспозиция на элемент составляет не более 5-10-13 Вт/элемент при уровне фона не более 3-10-5 Вт/см2. Средняя квадратическая неоднородность чувстви­тельности как соседних элементов, так и по всей матрице не превышает 5 %. Динами­ческий диапазон выходного сигнала составляет не менее 60 дБ, время считывания всего массива в режиме чересстрочной развертки - не более 40 мс.

Форматы ISD 200М и ISD 201М равны 256x290 и 256x288 соответственно; частота видеосигналов, снимаемых с этих МПИ, - 5 МГц при времени кадра у ISD 200М 40 мс и у ISD 201М - 20 мс. Различие во временах кадров объясняется способами съема сиг­налов с матрицы [263]. Температура охлаждения этих МПИ (40...50 К) обеспечивается с помощью микрохолодильника, работающего по циклу Стирлинга (см. § 7.8).

В крупноформатных МПИ на базе PtSi/Si (1024x1024, 1040x1040) очень трудно обеспечить высокую частоту опроса ячеек ФПУ, которая для обычных частот кадров, принятых в телевидении, достигает 40 МГц и выше. Поэтому в ряде таких МПИ сигнал снимается не с одного выхода, а с четырех параллельных. При этом матрица ФПУ раз­деляется на четыре квадранта, опрашиваемых параллельно отдельными устройствами считывания и усиления.

Монолитные ИК-МПИ на гетеропереходах Gei_xSix/Si (кратко GeSi) также обладают хорошей однородностью параметров отдельных элементов МПИ [268]. Их фоточувст - вительный слой в виде пленки формируется путем эпитаксии на кремниевой подложке, которая используется для изготовления схем считывания. Квантовая эффективность та­ких приемников, в принципе, выше, чем у приемников из PtSi.

Спектральная чувствительность большинства известных приемников на базе GeSi при их охлаждении до 77 К лежит в диапазоне 2...5 мкм. Верхняя граничная длина волны спектральной характеристики и ее максимум уменьшаются при увеличении концентрации Ge. Изменяя концентрацию Ge и толщину пленки GeSi, можно сдви­гать граничную длину волны спектральной характеристики (даже в область

8.. . 12 мкм). Правда, при этом интегральная чувствительность приемника уменьшает­ся на два-три порядка по сравнению с чувствительностью в диапазоне X = 2...3 мкм, где она составляет 10”2...10_1 А/Вт. Легируя приемник бором (оптимальная концентрация

Параметры ФПУ с охлаждаемыми МПИ на базе

Параметры ФПУ с охлаждаемыми

Примеси около 2 1020 электрон/см3), удается при толщине пленки GeSi порядка 20 мкм повысить чувствительность примерно в 10 раз.

В [268] сообщается о создании ФПУ на GeSi формата 512x512 с размером пиксела 34x34 мкм при коэффициенте заполнения 59%. При температуре охлаждения 43 К, час­тоте кадров 30 Гц и диафрагменном числе 2,0 для фона с температурой 300 К ДГП было равно 80 мК. Разброс чувствительности от пиксела к пикселу не превышал 2,2 %, а число годных пикселов составило 99,998 %.

Для изготовления МПИ, работающих в ближне - и средневолновом диапазонах ИК - спектра, распространен сурьмянистый индий InSb. Сравнительно недорогие матричные приемники на базе InSb, работающие в диапазоне 3...5 мкм при охлаждении до

77.. .88 К, хорошо освоены в производстве, обладают достаточно высокой чувствитель­ностью (обычно квантовая эффективность более 70...80%), хорошо сочетаются с раз­личными схемами считывания и обработки электрических сигналов. Однако неодно­родность отдельных элементов МПИ из InSb больше, чем у МПИ на базе PtSi и GeSi, и может составлять от 3 до 10 %.

Ряд отечественных организаций и зарубежных компаний (НПО «Орион», «Raytheon», «Lockheed Martin Santa Barbara», «Focal Plane», «Cincinnati Electronics») производит мат­рицы из InSb с длинноволновой границей чувствительности 5,0...5,5 мкм. Форматы этих матриц достигают 1344x1344 пикселов и более с периодом 20...40 мкм. Удельная об - наружительная способность элементов матриц в максимуме спектральной характери­стики близка в среднем кЮ11 Вт-1смТц1/2. Уже разрабатываются МПИ с форматом до 2052 х 2052 элементов.

В табл. 7.4 и 7.5 приводятся данные о ряде производимых в настоящее время охлаж­даемых МПИ рассмотренных типов и ФПУ на их основе.