Способ изготовления двухспектрального матричного фотоприемника

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых двухспектральных гибридизированных сборок и может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения.

Известны многочисленные способы изготовления монолитных двухцветных в ячейке матричных фотоприемников, описанных в статьях [Y. Reibel, F. Chabuel, С. Vaz, D. Billon-Lanfrey, J. Baylet, O. Gravrand, P. Ballet, and G. Destefanis, "Infixed Dual Band Detectors for Next Generation", Proceedings ofSPIE vol. 8012, Infrared Technology and Applications XXXVII, April 2011, pp 801238-1; S.D. Gunapala, S.V. Bandara, J.K. Liu, J.M. Mumolo, D.Z. Ting, C.J. Hill, J. Nguyen, and S.B. Rafol, "Demonstration of 1024×1024 Pixel Dual-Band QWIP Focal Plane Array", Proceedings of SPIE vol. 7660, Infrared Technology and Applications XXXVI, April 2010, pp 76603L-1; R. Rehm, M. Walther, J. Schmitz, F. Rutz, A. Worl, R. Scheibner, and J. Ziegler, "Type-II Superlattices - The Fraunhofer Perspective", Proceedings of SPIE vol. 7660, Infrared Technology and Applications XXXVI, April 2010, pp 76601G-1] и патентах US 20170155011, US 9647164, US 20160290865, US 9520525, US 9490292, US 20150243825, US 20100051809, US5731621, основными недостатками которых являются низкая чувствительность, спектральная взаимосвязь из-за неполного поглощения в верхнем фоточувствительном слое.

Другим способом изготовления являются матричные фотоприемники, обеспечивающие фотоэлектрическое преобразование излучения в заданном диапазоне длин волн, на основе фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонким поглощающим слоем из однородного полупроводникового материала, в котором двухспектральность обеспечивается за счет формирования двух областей максимальной спектральной чувствительности λ1 и λ2 напылением длинноволнового, коротковолнового и составного блокирующих фильтров непосредственно на МФЧЭ, описанные в патентах US 20170142351 и US 20170125614. Этот способ лишен вышеописанных недостатков. Но формирование фильтров напылением, как следует из описания патентов, добавляет к фоточувствительному слою многослойное покрытие с суммарной толщиной более 15 мкм.

Однако при практической реализации изготовление многослойных интерференционных фильтров непосредственно на фоточувствительном слое с необходимыми эксплуатационными характеристиками, в том числе устойчивости интерференционного покрытия к многократным циклическим перепадам температур от минус 196°С до плюс 60°С, является очень сложной и трудоемкой в исполнении задачей (что обеспечивается выбором пленкообразующих материалов с соответствующими подложке коэффициентами температурного расширения и технологии формирования отдельных слоев, включая адгезию, изменение показателя преломления от температуры для обеспечения требуемой спектральной характеристики при охлаждении).

При этом напыление интерференционных слоев для формирования длинноволнового, коротковолнового и составного блокирующих фильтров, как следует из описания патентов, добавляет к фоточувствительному слою многослойное покрытие с суммарной толщиной более 15 мкм. Обычно с увеличением толщины напыляемых слоев возрастают механические напряжения, которые воздействуют на основу (матрица ФЧЭ), что приводит к увеличению темновых токов фотодиодов и соответствующему ухудшению пороговых характеристик матрицы ФЧЭ, а также нарушению электрического контакта гибридной сборки по индиевым микроконтактам, что уменьшает выход годных изделий. Кроме этого, увеличение суммарной толщины фильтров, напыляемых непосредственно на поверхность МФЧЭ, неизбежно сопровождается увеличением количества и суммарной продолжительности технологических процессов формирования фильтров на поверхности МФЧЭ, что является факторами, понижающими процент выхода годных МФЧЭ.

Тем не менее, такой фотоприемник является наиболее близким аналогом заявляемому устройству.

Задачей изобретения является уменьшение возрастающих с увеличением суммарной толщины блокирующих фильтров механических напряжений, воздействующих на МФЧЭ и приводящих к увеличению темновых токов фотодиодов и, соответственно, ухудшению пороговых характеристик МФЧЭ; уменьшение количества и суммарной продолжительности технологических процессов формирования фильтров на поверхности МФЧЭ, что является факторами повышающими процент выхода годных МФЧЭ, изготавливаемых из дорогостоящего полупроводникового материала высокого качества, посредством уменьшения толщины напыляемых на поверхность МФЧЭ интерференционных блокирующих фильтров.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе изготовления многоэлементного двухспектрального матричного фотоприемника, обеспечивающего фотоэлектрическое преобразование излучения в заданном диапазоне длин волн, включающего корпус с входным окном, матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонким поглощающим слоем из однородного полупроводникового материала, соединенную индиевыми микроконтактами со схемой считывания, приклеенной на коммутационный растр, обеспечивающий соединение проводниками БИС считывания с внешней схемой питания и управления видеосигнала фотоприемника, на МФЧЭ формируют напылением отрезающие фильтры, создающие две области максимальной спектральной чувствительности λ1 и λ2, а составной блокирующий фильтр с коротковолновой границей пропускания области λ1 и длинноволновой границей рабочей области пропускания λ2, обеспечивающий крутизну фронтов спектральной чувствительности фотоприемника и минимизацию вторичных максимумов в области подавления, выполняют напылением многослойного покрытия на входном окне.

Формирование составного блокирующего фильтра на входном окне позволяет существенно уменьшить общую толщину фильтров на поверхности МФЧЭ, что приведет к уменьшению механических напряжений, воздействующих на МФЧЭ, и соответствующему уменьшению темновых токов фотодиодов, а значит лучшим пороговым характеристикам МФЧЭ. Уменьшение количества и суммарной продолжительности технологических процессов формирования фильтров на поверхности МФЧЭ являются факторами, повышающими процент выхода годных МФЧЭ.

Сущность изобретения поясняется графиками, изображенными на фиг. 1 - спектр пропускания 5-слойного коротковолнового фильтра, фиг. 2 - спектр пропускания 5-слойного длинноволнового фильтра, фиг. 3 - спектр пропускания 21-слойного составного фильтра.

Коротковолновый блокирующий фильтр (см. фиг. 1), создающий область максимальной спектральной чувствительности λ1 в диапазоне 3,5-5 мкм с минимальным количеством слоев, изготавливают на МФЧЭ напылением 5-слойного покрытия общей толщиной 1-2 мкм (типично 1,35 мкм), состоящего из слоев Si и SiO₂.

Длинноволновый блокирующий фильтр (см. фиг. 2), создающий область максимальной спектральной чувствительности λ2 в диапазоне 1,7-2,6 мкм с минимальным количеством слоев, изготавливают на МФЧЭ напылением 5-слойного покрытия общей толщиной 2-3 мкм (типично 2,66 мкм), состоящего из слоев Si и SiO₂.

Составной блокирующий фильтр (см. фиг. 3), с коротковолновой границей пропускания λ1 и длинноволновой границей рабочей области пропускания λ2, выполненный напылением 22-слойного покрытия на входном окне, имеет общую толщину 9-10 мкм (типично 9,16 мкм), состоящего из слоев Si и SiO₂.

Таким образом, суммарная толщина фильтров, напыляемых на МФЧЭ, не превышает 2,66 мкм, а количество процессов формирования отдельных слоев сокращается до пяти.