В. В. Осипов, В. П. Пономаренко, А. Ю. Селяков
Государственное унитарное предприятие “Научно-производственное объединение “Орион”
Москва, Россия
Рассмотрена физика работы новой смотрящей ИК гибридной матрицы на основе HgCdTe р-n-переходов. Проанализированы предельные пороговые характеристики таких матриц на спектральные диапазоны 3 - 5 и 8 - 14 мкм. Архитектура рассматриваемых матриц намного проще чем у существующих: накопительные емкости занимают всю площадь под фоточувствительной ячейкой, а в качестве элементов коммутации используются сами фоточувствительные р-n-переходы. Накопительные емкости могут быть изготовлены на основе диэлектриков с относительно высокой диэлектрической проницаемостью (типа TiO2 и интегрированных сегнетоэлектриков). В отличие от фото-ПЗС и -ПЗИ, в рассматриваемой матрице не используется перенос заряда между пространственно разнесенными электродами. Определены параметры фоточувствительных и накопительных элементов, при которых реализуются наибольшие времена накопления и пороговые характеристики, близкие к теоретическому пределу. Показано, что в принципе рассматриваемая матрица обладает уникальными параметрами и в ней могут быть подавлены шумы усилителя типа 1/f. Так, матрицы, площадь фоточувствительного р-n-перехода которых составляет 20х20 мкм2, могут работать в BLIP-режиме и иметь время накопления фотосигнала и формат, равные постоянной времени человеческого глаза и 1024х1024 элементов для диапазона 3 - 5 мкм и, соответственно, 300 мкс и 256х256 элементов для диапазона 8–10 мкм при температуре фона 300 К.
1. Введение
Одним из основных направлений развития современной инфракрасной (ИК) техники является создание смотрящих матриц большого формата на спектральные диапазоны 3-5 и 8-14 мкм. Тепловизоры на основе таких матриц не требуют оптического сканирования при формировании сигнала изображения и должны реализовывать преимущества обработки фотосигнала, связанные с большим временем его накопления. Последнее в пределе может быть равно времени кадра, которое, как правило, определяется инерционностью человеческого глаза.
К настоящему времени реализованы крупноформатные гибридные фокальные матрицы различного типа [1], в том числе на основе узкозонных полупроводников HgCdTe [2-5] и InSb [6], а также квантоворазмерных гетероструктур GaAs/AlGaAs [7, 8]. В таких приборах матрица фоточувствительных элементов из соответствующего полупроводника соединяется с помощью индиевых столбиков с кремниевой микросхемой, выполняющей функции накопления, усиления и коммутации фотосигнала. Созданы также планарные матрицы на основе фотодиодов Шоттки из PtSi [9] и гетеропереходов GeSi/Si [10], объединенных с элементами обработки сигнала на единой кремниевой подложке. Разработаны крупноформатные неохлаждаемые болометрические матрицы [11]. Предпринимаются попытки создания перспективных для ИК-матриц фотодетекторов на основе квантоворазмерных гетероструктур GeSi/Si [12], d-легированных квантовых ям [13] и сверхрешеток [14], а также на основе других сложных полупроводников [15, 16].
Вместе с тем, наиболее значительные успехи в области создания матричных фотодетекторов ИК-диапазона с высокими пороговыми характеристиками достигнуты на пути разработки высококачественных фотодиодов на основе HgCdTe, которые на сегодняшний день являются основным элементом для создания фокальных матриц.
Из материала Hg1-xCdxTe с х > 0,2 изготовляются фотодиоды на спектральный диапазон 8-14 мкм, как на основе n+-р [17-20], так и р+-n-переходов [4], причем наиболее отработанной является технология n+-р-переходов. Шум таких р-n-переходов является белым вплоть до частот порядка 1-10 Гц [4, 18, 20]. На основе высококачественных HgCdTe n+-р переходов разработаны крупноформатные матрицы и линейки [3, 5, 17-20]. Из Hg1-xCdxTe состава х > 0,3 также разработаны фотодиоды с малыми темновыми токами, что дало возможность повысить рабочую температуру крупноформатной фокальной матрицы на спектральный диапазон 3-5 мкм вплоть до уровня термоэлектрического охлаждения [2]. В этом заключается главное преимущество фотодетекторов на основе HgCdTe на спектральный диапазон 3-5 мкм перед фотодетекторами из InSb, рабочую температуру которых существенно повысить не удается.
В отличие от фокальных матриц на основе PtSi [9], гетеропереходов GeSi/Si [10], а также квантовых ям и сверхрешеток квантовая эффективность фокальных матриц на основе HgCdTe близка к единице. Фотодетекторы на основе квантовых ям и сверхрешеток к тому же обладают селективным по поляризации поглощением (нормально падающее излучение поглощается слабо) [13, 14, 21].
Пороговые характеристики квантовых фотодетекторов на основе HgCdTe, в принципе, лучше, чем болометрических фотоприемников. В квантовых фотодетекторах, например, при межзонном поглощении ИК-излучения, каждый поглощенный фотон генерирует электронно-дырочную пару, которая и определяет фототок. В тепловых фотоприемниках энергия поглощенного фотона перераспределяется между всеми подсистемами кристалла. Поэтому чувствительность тепловых приемников ниже, чем квантовых. Отметим также, что пороговые характеристики фотодиодов на основе Hg1-xCdxTe состава х > 0,2 лучше, чем у фоторезисторов на основе квантоворазмерных гетероструктур GaAs/AlGaAs [22].
Заметим, что попытки создания на основе узкозонных полупроводников фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ПЗС) или с зарядовой инжекцией (ПЗИ) (успешно реализованные на основе Si [23, 24]) также натолкнулись на значительные сложности. Это связано с тем, что в узкозонных полупроводниках туннельный ток существенно ограничивает коэффициент переноса и быстродействие [25]. Кроме того, граница раздела узкозонный полупроводник-диэлектрик характеризуется достаточно высокой плотностью состояний, что естественно ухудшает пороговые характеристики таких матриц. Поэтому достигнутый сегодня формат ПЗС среднего ИК-диапазона на основе HgCdTe [26] существенно меньше, чем формат разработанных к настоящему времени гибридных матриц [2].
Таким образом, в обозримом будущем фотодиоды на основе HgCdTe, по-видимому, останутся основным элементом для создания крупноформатных фокальных матриц с высокими пороговыми характеристиками как среднего, так и дальнего ИК-диапазонов. При этом наиболее перспективным материалом для создания таких приборов являются эпитаксиальные слои HgCdTe, выращенные на подложках из CdTe, CdZnTe или альтернативных подложках [27, 28]. Обладая достаточно высокой однородностью электрофизических параметров такие слои, в отличие от объемных монокристаллов HgCdTe не требуют предварительной механической обработки поверхности, а изготовленные на их основе фотодиоды могут освещаться со стороны подложки, прозрачной для ИК-излучения.
Однако на пути реализации потенциальных преимуществ фокальных матриц длинноволнового ИК-диапазона имеются значительные трудности. Одна из них состоит в сложности получения эпитаксиальных слоев Hg1-xCdxTe состава х > 0,2 большой площади с высоким совершенством поверхности и сложности проведения стыковки с кремниевой микросхемой на большой площади. Однако главная трудность создания крупноформатных матриц на диапазон 8-12 мкм связана с высоким уровнем фонового излучения в таком длинноволновом ИК-диапазоне. Сильный фон приводит к быстрому переполнению накопительных емкостей, расположенных на кремниевой микросхеме, и тем самым обусловливает использование высокой тактовой частоты для считывания фотосигналов. Чем больше формат матрицы (точнее число элементов в ее строке), тем выше должна быть эта тактовая частота, а следовательно и шумовая полоса частот обрабатывающей электроники. Таким образом, чем больше формат матрицы, тем сильнее влияние шумов обрабатывающей электроники на ее пороговые характеристики. Это является принципиальной причиной, ограничивающей формат матриц длинноволнового ИК-диапазона, работающих в BLIP-режиме. Именно по этим причинам формат разработанных на сегодня фокальных ИК HgCdTe матриц [3-5] меньше, чем формат матриц на основе PtSi [9]. Для достижения максимальных пороговых характеристик матрицы большого формата необходимо обеспечить время накопления фотосигнала, соизмеримое с временем кадра.
Таким образом, разработка фокальных матриц длинноволнового ИК-диапазона, с большим временем накопления фотосигнала (в пределе, равном постоянной времени человеческого глаза) является чрезвычайно актуальной задачей.
В данной статье излагается физика работы, рассматриваются фотоэлектрические и пороговые характеристики новой гибридной фокальной матрицы на основе HgCdTe, которая обладает достаточно большим временем накопления. Статья построена следующим образом. В разд. 2 рассматривается архитектура и физика работы матрицы; в разд. 3 анализируется процесс накопления фотосигнала; в разд. 4 изучается зависимость ее чувствительности, обнаружительной способности, условия реализации BLIP-режима от конструктивных параметров, а также рассматривается метод подавления шумов предусилителя типа 1/f;
в разд. 5 приводятся результаты расчетов фотоэлектрических и пороговых характеристик таких матриц на основе Hg1-xCdxTe состава х > 0,2 и х > 0,3.
2. Архитектура и физика работы матрицы
Рассматриваемая гибридная фокальная матрица состоит из матрицы фоточувствительных р-n-переходов на основе эпитаксиальных слоев HgCdTe, соединенных с матрицей накопительных емкостей посредством индиевых столбиков (рис. 1).
Матрица фоточувствительных р-n-переходов освещается со стороны подложки. Мы уже отмечали, что в настоящее время наиболее хорошо отработана технология создания n+-р-переходов на основе Hg1-xCdxTe состава х > 0,2, причем темновой ток таких обратносмещенных р-n-переходов определяется диффузионным механизмом [17, 20]. Поэтому для определения предельных параметров предложенной нами перспективной фокальной матрицы длинноволнового ИК-диапазона мы для определенности будем рассматривать фотодиоды на основе n+-р-переходов (рис. 1).
Сечение ячейки матрицы накопительных емкостей плоскостью, параллельной шине Xj (см. рис.1), изображено на рис. 2. Каждая такая ячейка состоит из двух конденсаторов C1 и С2. Верхние обкладки этих конденсаторов образованы электродами 1 и 2 соответственно, а нижние их обкладки образованы общим