Результат интеллектуальной деятельности: МАТРИЦА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к матрицам фоточувствительных элементов (МФЧЭ), используемых для создания матричных фотоприемных устройств (МФПУ) для тепловизионных систем обзора.

МФПУ, как правило, включают поэлементно состыкованные МФЧЭ и кремниевый мультиплексор, расположенные внутри светоограничительного экрана с диафрагмой заданной формы и заданными размерами, закрытой светофильтром, определяющим спектр фоточувствительности устройства. Вышеуказанный экран с растром смонтирован внутри вакуумированного или газонаполненного корпуса с входным оптическим окном. Корпус интегрирован с устройством охлаждения МФЧЭ и мультиплексора. Оптическое окно снабжено антиотражающим покрытием, диапазон пропускания которого шире диапазона чувствительности МФЧЭ, для обеспечения наименьших потерь падающего излучения.

МФЧЭ выполняется как на основе полупроводниковых гомоструктур (InSb), так и на основе гетероструктур (CdZnTe-HgCdTe, InP-InGaAs, GaAs-GaAlAs и т.д.).

Заявляемое устройство относится к МФЧЭ на основе гетероструктур.

Известные МФЧЭ на основе гетероструктур включают полупроводниковую подложку с толщиной, превышающей диффузионную длину неосновных носителей заряда, как минимум, на порядок, с шириной запрещенной зоны, соответствующей длине волны λ₁, расположенное на лицевой ее стороне просветляющее диэлектрическое покрытие и расположенные на тыльной ее стороне ФЧЭ с шириной запрещенной зоны фотоактивного слоя, соответствующей длине волны λ₂(E_g2=hc/λ₂).

Полоса чувствительности указанных МФЧЭ определяется длинами волн λ₁ и λ₂. Облучаются ФЧЭ излучением, проходящим сквозь оптическое окно корпуса МФПУ, охлаждаемый светофильтр и подложку МФЧЭ. При этом в МФПУ кроме полезного сигнального излучения на них падает и паразитное излучение, которое увеличивает уровень шума ФЧЭ и, соответственно, ухудшает пороговые параметры МФПУ.

Источниками паразитного облучения для МФЧЭ, установленного в МФПУ, всегда являются:

- естественный фон окружающего пространства;

- излучение входного окна МФПУ, температура которого, как правило, равна температуре окружающей среды;

- излучение светофильтра, температура которого определяется системой охлаждения МФЧЭ;

- тепловое излучение экрана, ограничивающего световую апертуру МФПУ, температура которого также определяется системой охлаждения МФЧЭ.

ИК МФПУ используются для регистрации тепловой картины окружающего пространства. В этом случае важнейшим параметром МФПУ является пороговая разность температур (NETD). Аналитически, этот параметр определяется следующими выражениями:

(1)

(2)

где

(3)

, (4)

(5)

(6)

В выражениях (1), (2), (3), (4), (5) и (6)

с - скорость света в вакууме;

h - постоянная Планка;

k_B - постоянная Больцмана;

q - заряд электрона;

Т - температура фона;

SNR_ФЧЭ - отношение сигнал/шум ФЧЭ, или N_{сигнФЧЭ} к N_шумФЧЭ;

N_{сигнФЧЭ} - количество накопленных ФЧЭ носителей заряда, генерированных только полезным излучением от регистрируемого объекта;

N_шумФЧЭ - суммарное количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, обусловленных темновым током, шумом БИС мультиплексора и всеми излучениями, в том числе и паразитными, падающими на него;

N_{ш_сигн} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных сигнальным излучением;

N_{ш_фон} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных фоновым излучением;

N_{ш_вх.окно} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных входным окном МФПУ;

N_{ш_сф} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных охлаждаемым светофильтром;

N_{ш_экр} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных светоограничительным экраном;

N_{ш_ток} - количество шумовых носителей заряда ФЧЭ, генерированных темновым током;

N_{ш_БИС} - количество шумовых носителей заряда БИС мультиплексора;

N(λ₁, λ₂) - интегральное количество фотонов фона окружающей среды в спектральном диапазоне от λ₁ до λ₂, определяемое из закона Планка;

Z(λ₁, λ₂) - интеграл по λ от производной спектральной плотности потока фотонов по температуре фона, определяемый из закона Планка;

n, m - формат МФЧЭ.

Из представленного выражения для NETD следует, что указанный параметр будет улучшаться, если будет увеличиваться отношение сигнал/шум (SNR) ФЧЭ. В то же время, поскольку полезный максимальный сигнал - постоянная величина, определяемая разностью ширин запрещенных зон подложки и фотоактивного слоя, то повышение этого отношения возможно лишь с помощью снижения интегрального шума МФПУ.

Источниками интегрального шума МФПУ являются вышеупомянутые источники паразитного облучения, темновой ток ФЧЭ и шум БИС мультиплексора. Таким образом, основной задачей конструкторов и технологов является получение минимального темнового тока ФЧЭ, минимального шума БИС мультиплексора и минимизация паразитных излучений при разработке и изготовлении МФПУ с высокими параметрами.

Изменить естественный тепловой фон окружающего пространства мы не можем - он определяется температурой окружающей среды. Уровень теплового излучения светофильтра, определяющего спектральный диапазон чувствительности приемника, и тепловое излучение экрана, ограничивающего световую апертуру МФПУ, мы можем уменьшить до разумных пределов, используя систему охлаждения МФЧЭ. Получение минимального шума БИС мультиплексора также является отдельной независимой задачей схемотехников и технологов по кремниевым микросхемам, как и изготовление МФЧЭ с минимальными темновыми токами - для технологов по полупроводниковым твердым растворам на основе A₃B₅, А₂В₆ и т.д.

Однако существует еще один источник паразитного излучения, который также будет ухудшать отношение сигнал/шум ФЧЭ. Рассмотрим более подробно его возникновение и влияние на работу МФПУ.

Спектр фонового светового излучения, падающего на МФПУ, можно разделить на три части.

Первая часть - излучение с длиной волны, превышающей длину волны λ₁, соответствующую ширине запрещенной зоны фотоактивного слоя ФЧЭ. Сигналы из этой части спектра нас не интересуют.

Вторая часть - излучение с длиной волны между λ₁ и λ₂, где λ₂ - длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны подложки. Излучение регистрируемого сигнала располагается в этой части спектра.

Третья часть - излучение с длиной волны короче λ₂. Сигналы из этой части спектра нас также не интересуют.

Излучение из первой части спектра не поглощается ни в подложке, ни в фотоактивном слое ФЧЭ. Оно не влияет на выходной сигнал и шум ФЧЭ.

Излучение из второй части спектра (фоновое и сигнальное) не поглощается в подложке, но поглощается в фотоактивном слое, и формирует полезный и паразитный сигнал ФЧЭ.

Излучение из третьей части спектра поглощается в лицевой части подложки МФЧЭ.

Толщина подложки МФЧЭ, которая не менее 250-300 мкм, по крайней мере, на порядок превышает диффузионную длину неосновных носителей. При поглощении излучения из третьей части спектра неосновные носители, генерированные им, всегда будут рекомбинировать в подложке МФЧЭ. В силу того что подложка достаточно совершенная с точки зрения кристаллической структуры и прямозонная, то рекомбинация неосновных носителей в ней, в основном, будет излучательной.

Генерируемые при этом кванты уже будут принадлежать второй части спектра, т.е. будут иметь длины волн в диапазоне λ₂+Δλ<λ₁, и будут поглощаться в фотоактивном слое ФЧЭ, генерируя паразитный фототек и повышая уровень шума каждого ФЧЭ. Следовательно, будет ухудшаться отношение полезного сигнала к интегральному шуму (отношение сигнал/шум), что автоматически вызовет ухудшение всех основных пороговых характеристик МФПУ, которые напрямую зависят от этого отношения или от величины интегрального шума.

Задачей заявляемого устройства является повышение отношения сигнал/шум МФЧЭ.

Технический результат достигается тем, что в известной МФЧЭ, включающей широкозонную полупроводниковую подложку с толщиной, не менее чем на порядок превышающей диффузионную длину ее неосновных носителей заряда, с лицевой поверхностью оптического качества и расположенным на ней просветляющим диэлектрическим покрытием, с тыльной ее поверхностью и расположенными на ней ФЧЭ с узкозонным фотоактивным слоем, МФЧЭ содержит дополнительный полупроводниковый слой, расположенный между подложкой и просветляющим покрытием, ширина запрещенной зоны дополнительного слоя не превышает ширину запрещенной зоны подложки и превышает ширину запрещенной зоны узкозонного активного слоя фоточувствительных элементов, а скорость безизлучательной рекомбинации неосновных носителей в дополнительном слое не менее чем на порядок превышает скорость излучательной рекомбинации.

В частности, технический результат достигается тем, что в заявленной МФЧЭ часть подложки, примыкающая к лицевой поверхности, легирована глубокой примесью.

В частности, технический результат достигается также тем, что в заявленной МФЧЭ диэлектрическое покрытие имеет встроенный заряд, знак которого совпадает со знаком основных носителей заряда в дополнительном слое.

Сущность заявленного устройства состоит в наличии специально созданного канала безизлучательной рекомбинации для паразитных неосновных носителей, генерированных поглощенной коротковолновой частью падающего на МФЧЭ излучения. Этот канал безизлучательной рекомбинации имеет две разновидности:

1. Отдельный полупроводниковый слой или часть широкозонной подложки, примыкающая к лицевой стороне, легирована примесью с глубокими энергетическими уровнями в запрещенной зоне. В таких полупроводниковых слоях, легированных глубокими примесями, проходит безизлучательная рекомбинация неосновных носителей, генерированных излучением из третьей части спектра.

2. Часть широкозонной подложки, примыкающая к лицевой стороне, имеет искривленные энергетические зоны в поверхностном слое. Искривление энергетических зон обусловлено встроенным в диэлектрическое покрытие зарядом, знак которого совпадает со знаком основных носителей заряда в подложке (противоположен знаку неосновных носителей заряда в подложке). В результате возникает электрическое поле, вытягивающее неосновные носители, генерированные излучением из третьей части спектра, к поверхности раздела подложка - диэлектрический слой. В этой области, обедненной основными носителями, и проходит безизлучательная рекомбинация неосновных носителей.

Предлагаемое устройство поясняется рисунками.

На фиг. 1 показана возможная конструкция прототипа МФЧЭ.

На фиг. 2 показана возможная зонная диаграмма и внутренний источник паразитного облучения прототипа МФЧЭ.

На фиг. 3 показана возможная конструкция заявляемого МФЧЭ.

На фиг. 4 показаны возможные зонные диаграммы заявляемого МФЧЭ.

На рисунках введены следующие обозначения:

1. Омический контакт к широкозонному общему контактному слою.

2. Широкозонный слой первого типа проводимости.

3. Широкозонная (узкозонная) часть ФЧЭ второго типа проводимости.

4. Коротковолновая часть излучения с длиной волны λ≤λ₁.

5. Фотоактивный узкозонный слой первого типа проводимости.

6. Средневолновая часть излучения с длиной волны λ₂≤λ≤λ₁.

7. Широкозонный общий контактный слой первого типа проводимости.

8. Широкозонный буферный слой первого типа проводимости.

9. Длинноволновая часть излучения с длиной волны λ₂≤λ.

10. Омические контакты к отдельным ФЧЭ.

11. Широкозонная подложка.

12. Диэлектрическое просветляющее покрытие.

13. Дополнительный широкозонный слой, в котором скорость безизлучательной рекомбинации, по крайней мере, на порядок превышает скорость излучательной рекомбинации.

Работает заявляемое устройство в составе МФПУ, включающем МФЧЭ, состыкованную поэлементно с БИС, расположенную в холодном экране с диафрагмой и светофильтром, установленном в вакуумированном или газонаполненном корпусе с оптическим окном, интегрированном с системой охлаждения, следующим образом.

На МФЧЭ, установленную в МФПУ, падает внешнее излучение, которое можно разделить на три части по спектру 4, 6, 9. Длинноволновая часть падающего излучения 4 не поглощается в МФЧЭ и поэтому не генерирует в ней неосновные носители заряда. Средневолновая часть падающего излучения 6, проходящая сквозь входное окно корпуса, охлаждаемый светофильтр и подложку МФЧЭ 11, поглощается в фотоактивном слое МФЧЭ 5 (в фотоактивных областях ФЧЭ) и генерирует в ФЧЭ, включающих элементы 1, 3, 5, 7, как полезные, так и паразитные неосновные носители, формирующие фототоки. Фототоки накапливаются в течение заданного времени накопления на накопительных емкостях в ячейках БИС мультиплексора. Затем величина накопленного в ячейках МФПУ заряда последовательно считывается, формируя выходной вольтовый видеосигнал, соответствующий изображению тепловой картины, проецируемой на МФЧЭ с помощью объектива. Коротковолновая часть падающего излучения 4 поглощается в дополнительном слое МФЧЭ 11, расположенном между подложкой 11 и просветляющим диэлектрическим покрытием 12, и генерирует неосновные носители в нем. Эти неосновные носители безизлучательно рекомбинируют в этом слое, т.к. скорость безизлучательной рекомбинации в нем выше, чем скорость излучательной рекомбинации. Это предохраняет ФЧЭ от паразитного фототока и, следовательно, снижает его уровень шума. Снижение шума при сохранении сигнала означает увеличение отношения сигнал/шум и улучшение такого параметра, как пороговая разность температур.

Таким образом, использование заявляемого устройства даст положительный эффект, выраженный повышением отношения сигнал/шум как МФЧЭ, так и МФПУ.