4. Линейчатыеиматричныепзи-приемникиизображениянаосновеInAs

КакидляФПнаосновеКРТ,матричныефотоприемныеустройстванаосновеарсенидаиндия(InAs)являютсягибридными.Дляпреобра-зованияИК-излучениявкачествечувствительногоэлементавнихис-пользуютсяПЗИфоточувствительныеячейки[8.13].Какбылоотмече-норанее,вэтомслучаеотсутствуетнеобходимостьмногократнопереноситьзарядвдольповерхности,ноприэтомсохраняютсядоста-

точновысокиетребованиякграницеразделаполупроводник–диэлектриквфоточувствительныхячейках,определяющиепроцессынакопленияихраненияинформационногозаряда.Этозаставляетраз-работчиковискатьспособыспециальнойобработкиповерхностиисо-ставподзатворногодиэлектрика,обеспечивающиенеобходимыетре-бования.

Вкачествепримерагибридногоматричногофотоприемногоуст-

ройстваИК-диапазонаопишемкраткотакойприборнабазеInAs,взявзаосновуработуА.П.Кочавцева,Г.Л.Курышевассоавторами,откудассогласияавторовиприводитсябольшинствоиллюстрацийкизло-женномуматериалу.Фоточувствительнойячейкойлинейчатогомоду-ляФПУявляетсяМДП-конденсатор,показанныйнарис.8.29[8.13].

Этотконденсаторпостроеннаосновеслаболегированногоэпитакси-альногослоя,лежащегонавысоколегированнойподложке.Времяжиз-нинеосновныхносителейзарядавэпитаксиальныхслоях0,3…1,8мкс.Несмотряназначительноеотличиеэтихпараметровоттаковыхдля

ИК-излучение

9

7

6

++++++++

5

4

3

2

1

8

10

n-lnAsn⁺-lnAs

11

Рис.8.29.Поперечноесечениефоточувствитель-ногоэлементалинейкиПЗИнабазеМДП-струк-турыInAs:

1–высоколегированнаяподложкаInAs;2–слаболе-гированныйслой(N_d~10¹⁵см^–3)InAs;3–ОПЗ;4–инверсионныйслой;5–подзатворныйдиэлек-трик;6–SiO₂;7–прозрачныйзатворизIn₂O₃;8–In-контактсоединенияПЗИсосхемойсчитыва-ния;9–металлическийэкранотпаразитнойзасвет-ки;10–шинагибридногосоединения;11–омиче-

скийконтакткподложке

кремниевыхМДП-структур,онидаютвозможностьсформироватьнаосновеструктурПЗИвысокочувствительныеприемникиизлучениявИК-областиспектраввидемногоэлементныхлинеекиматриц.Глав-наятрудностьприсозданиитакогоэлемента–разработкатехнологиисинтезанизкотемпературногодиэлектрика,обеспечивающегокачест-веннуюпассивациюграницыразделаInAs–диэлектрикивыдержи-вающегофотолитографическиепроцессыпланарнойтехнологии.Былоустановлено,чтоэтимтребованиямудовлетворялдиэлектрик,полу-ченныйоднойиздвухтехнологий.

1. ХимическоетравлениеподложекInAsспоследующимосажде-

ниемдвуокисикремниятолщиной100…120нмвпроцессеокислениямоносиланакислородомприатмосферномдавленииитемпературе150…250С.Низкаятемператураосаждениянеобходимапотому,чтоприболеевысокихтемпературахнарушаетсястехиометрияповерхно-стизасчетиспаренияэлементаVгруппы.

2. Осаждениедвуокисикремниятолщиной100…120нмвреакторе

пониженногодавленияпослехимическойобработкипластиныивы-ращиваниявофторсодержащемэлектролитеанодногоокислатолщи-ной15нм.

Этивидыобработкиприводяткконцентрацииповерхностныхсо-стоянийнауровне10¹⁰…10¹¹см^–2эВ^–1.Среднеевремярелаксациипо-верхностногопотенциалапринеравновесномимпульсномобеднении

больше15…20мс.Cтольмалаяпосравнениюскремниемвеличинасвязанасозначительнымувеличениемтепловойгенерации,пропор-циональнойсобственнойконцентрацииносителейзаряда(Si~10⁹см^–3;InAs~10^16cм^–3),сповышеннойконцентрациейгенерационно-реком-бинационныхуровнейисосложнымсопутствующимспектромглубо-кихуровней.Кэтомунадодобавитьиотсутствующийвслучаекрем-ниямеханизмтуннельнойгенерации.Имеетсяввидупротеканиетоказона–зоначерезпотенциальныйбарьер,образованныйОПЗобеднен-нойобласти(рис.8.30).

Прибольшихизгибахзончерезузкийпотенциальныйбарьерпро-

текаетзначительныйтуннельныйток.Зоннаядиаграмманаэтомри-сункепоказываетвозможностьтуннелированияэлектроновизвалент-нойзонывзонупроводимостивприповерхностнойобластиузкозонногополупроводника.Этитокивузкозонныхматериалахмо-гутдостигатьдовольнобольшихзначений.Понятно,чтовероятностьтуннелированиятембольше,чему´жезапрещеннаязонаибольше

^qvдиэл

^qvполупр

Е_С

Е_g

М Д П ^Еv

Рис.8.30.ЗоннаядиаграммаМДП-структурыприбольшихнапряженияхсмещения

электрическоеполе.Необходимотакжепомнить,чтотуннельнаягене-рацияпроисходиттольковначальнойстадиирелаксации,когдаизгибзондостаточновелик.Туннельныйгенерационныйтокприводитквоз-растаниюшумовпрималыхвременахнакопленияинформационногозарядаиослабляетфотосигналзасчетчастичногозаполненияпотен-циальнойямытемновыминосителямитока.

ИзвсегоизложенноговышеотемновыхтокахвПЗСиПЗИ,обу-словленныхпреждевсеготепловойгенерациейвфоточувствительныхструктурах,ясно,чтоименноониограничиваютмаксимальнуюрабо-

чуютемпературутакихструктур.Поэтойпричинерабочиеструктуры,выполненныенаузкозонныхполупроводниках,обычнофункциониру-ютприкриогенныхтемпературах.Втожевремя туннельныепроцессыслабозависятоттемпературы,иихрольспонижениемтемпературырастет.ВнастоящеевремяМДП-планарнаятехнологиядляузкозон-ныхполупроводниковдостиглазначительныхуспехов,чтопозволилосоздатьнетольколинейныефотоприемныеустройства,ноиматричныесбольшимколичествомэлементов.Элементтакойматрицыпрактиче-скиничемнеотличаетсяотэлементалинейки(см.рис.8.29).Неболь-шиеотличиясвязаныстем,чтоИК-излучениепопадаетнафоточувст-вительнуюплощадкустыльнойстороны.Этовомногомупрощаетконструкциювсейгибриднойсхемы,вкоторойсоединениескремние-вымматричныммультиплексоромосуществляетсяметодомгрупповойсборки,какидляФПУнаосновеКРТ,черезиндиевыестолбы.

Нарис.8.31изображенвнешнийвидлинейчатогоиматричногофотоприемныхустройств,всборе.

5

1

5 ² 2

6 ₃

1

₆ 3

4 7 4 ⁶

а б

Рис.8.31.КонструктивноеисполнениегибридныхInAs-микросхемлинейча-тыхиматричныхмодулейфотоприемныхустройств:

а–ЛФПУ:1–лейкосапфироваяподложка;2–выходныеконтактныеплощадки;3,4–кремниевыемультиплексоры;5–фотоприемныеПЗИ-линейки;6–полиимид-ныйшлейф;б–МФПУ:1–InAs-подложка(N_d~10^18см–3);2–фоточувствительный

эпитаксиальныйслойInAsтолщиной4…10мкм(N_d~10^15см–3);3–индиевыекон-

тактныестолбы;4–кремниевыймультиплексор;5,6–сдвиговыерегистры

мультиплексоров;7–выходныеконтактымультиплексора

Каквидноизрис.8.31,конструк-тивноеисполнениелинеекиматрицвосновныхчертаходноитожедлята-кихразличныхматериалов,какСОТ<In>,КРТ иInAs.

МультиплексорыдляФПразлич-ноготипа,обладающиеразнымисо-

противлениямиидиапазономтемно-выхтоковифототоков,отличаютсядруготдруга,нотакжесохраняютоб-щиеконструктивныерешения,иос-новныеузлымультиплексоровприн-ципиальноэквивалентны.

Нарис.8.32данагистограммарас-

8000

Числоэлементов

6000

4000

2000

0

3,2 3,4 3,610¹²

пределенияобнаружительнойспособ-

D,смГц

• Вт

ностиэлементовматрицыПЗИ-

приемниковформата128128элемен-тов.Величинаобнаружительнойспо-собности,измереннаяприфоновых

_* 0,5 _–1

Рис.8.32.Гистограммаобна-ружительнойспособностимат-

ричногоФПУ

потокахоколо8,410...7Вт/см²,хорошосогласуетсясрезультатамитеоретическогорасчета.Изрисункавидно,чторазбрособнаружитель-нойспособностипоэлементамматрицыневелик.

Приведенныепримерыпоказывают,чторазработкаматричных

ФПУужесейчасдаетвозможностьполучатьматрицыдостаточногоформатадляобеспеченияцелогорядапрактическихзадач.Дальней-шийпрогрессвэтойобластибудетсвязан,по-видимому,каксувели-чениемформатаматриц,такиспостепеннымпереходомкмонолит-нымФПУ,каждоеизкоторыхбудетвыполненонаодномкристалле.