УДК 621.383.4/5:546.682ч86
В. М. Акимов, В. Н. Васильков, И. Л. Касаткин, Е. А. Климанов,
Н. В. Кравченко, В. А. Морозов, А. А. Рябова, В. Ф. Чишко
Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение
"Орион",
Москва, Россия
Описана конструкция малогабаритного матричного фотоприемного устройства на область спектра 3--5 мкм на основе InSb, матричного фоточувствительного элемента, интегральной схемы обработки на кремнии, системы охлаждения, а также приводятся результаты измерения пороговых характеристик.
За рубежом в матричных фотоприемных устройствах (МФПУ) на область спектра 3-5 мкм в
большинстве случаев используется антимонид индия в качестве матричного фотоприемника.
Это обусловлено, на наш взгляд, тем, что по сравнению с твердым раствором ртуть-кадмий-
теллур соответствующего состава антимонид индия имеет ряд преимуществ, таких как
постоянство состава, лучшую стабильность свойств, большую механическую прочность.
Разработанное нами МФПУ форматом 128х128 элементов состоит из матричного фотодиодного
чувствительного элемента с индиевыми столбиками, мультиплексора, газовой криогенной
машины типа интегрированный Стирлинг и платы управления работой мультиплексора.
Матричный фотодиодный чувствительный элемент изготавливался на пластине InSb n-типа с
концентрацией свободных носителей 1014-1015 см-3 и ориентацией (100). После стандартной
шлифовки, химико-механической и химико-динамической полировок создавался p+-n-переход
либо путем ионной имплантации Be+ с энергией 40 кэВ и дозой
~1014 см-2, либо диффузией Cd
при температуре 400°С. Далее проводилось вытравливание меза-структур размером 30х30 мкм с
шагом 40 мкм, анодное оксидирование и нанесение защитного покрытия из SiO. Вскрытие
контактных окон в SiO проводилось методом плазмохимического травления, а в анодном
окисле - химическим травлением. Омические контакты к р+-типу формировались методом
фотолитографии по пленке Cr-Au, полученной термическим распылением. После этого
проводилось утоньшение базовой n-области до толщины 15-30 мкм с использованием несущей
подложки из кремния. Формирование индиевых столбиков высотой 3-5 мкм осуществлялось
путем прямого травления индия с последующим "взрывом".
МОП-мультиплексор содержал матрицу ключей с шагом 40 мкм, два 64-разрядных
управляющих динамических регистра сдвига, две 64-элементные буферные линейки МОП-
ключей, два 64-канальных блока накопления и хранения информационного сигнала с емкостями
4·10-12 и 1·10-12 Ф, соответственно, два 68-канальных выходных динамических регистра сдвига
и две 64-канальные линейки МОП-транзисторных ключей. МОП-мультиплексор обеспечивал
последовательную коммутацию шин затворов (столбцов матрицы), параллельное накопление
зарядов с фотодиодов матричного фоточувствительного элемента на емкости накопления за
время Тн, параллельный перенос накопленного заряда на емкости хранения за
время Тп и
последовательное считывание информации с емкостей хранения на общий выход за время Тсч.
Электрическая и механическая связь между матричным фоточувствительным элементом и
мультиплексором осуществлялась с помощью индиевых столбиков на установке
двухстороннего совмещения фирмы "Карл-Цейс". Особенностью этой установки является
наличие двух подвижных относительно вертикальной оси предметных столиков, на которых
при помощи вакуумного присоса крепились мультиплексор (на верхний стол) и фотодиодная
матрица. Нижний стол мог перемещаться в горизонтальной плоскости с точностью до
10-4 см и
вращаться относительно вертикальной оси. Параллельность поверхностей стыкуемых
поверхностей мультиплексора и матричного фотоприемника выставлялась при помощи гелий-
неонового лазера. Совмещение мультиплексора и матричного фотоприемника проводилось при
наблюдении через подложку мультиплексора микроскопом, снабженным электронно-оптическим
преобразователем с разрешением 50 штр/мм. Погрешность стыковки индиевых столбиков не
превышала 10 мкм.
Охлаждение фоточувствительной сборки (мультиплексор, состыкованный с матричным
фотоприемником) до температуры 80 К осуществлялось микрокриогенной системой типа ИСМО,
состоящей из газовой криогенной машины (ГКМ) типа интегрированный Стирлинг и блока управления.
Точность стабилизации температуры была не хуже 0,1 К, потребляемая мощность не более 15 Вт, масса
не более 6,5 Н.
Фоточувствительная сборка через сапфировую подложку приклеивалась на гильзу ГКМ, а
коммутация мультиплексора осуществлялась при помощи полиимидного кабеля с медными
дорожками. Расчетное значение теплопритоков в такой конструкции не превышало 0,14 Вт,
время выхода на режим не превышало
10 мин. Измерение пороговых характеристик
проводилось при равномерной засветке от АЧТ с Т=500 К при апертурном угле на фон с Т=300 К,
равном 2p. При времени накопления 2·10-3 с измеренная пороговая чувствительность в
максимуме спектральной чувствительности оказалась равной 1,2·10-11 Вт/эл.
V. M. Akymov, V. N. Vasilkov, I. L. Кasatkin, E. A. Klimanov,
N. V. Kravtchenko, V. A. Morozov, A. A. Ryabova, V. F. Chyshko
The State Unitary Enterprise "RD&P Centrе "Orion",
Moscow, Russia
Design of miniature Focal Plane Array on spectral range 3-5 Mm is described. Two-dimenshial photodiade detector on InSb with thin base layer was used. Indium bumps for bonding silicon readout curcuitry and photodetector on InSb were used.