УДК 621.383.4/5:546.682ч86

          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 Т_н, параллельный перенос накопленного заряда на емкости хранения за время Т_п и последовательное считывание информации с емкостей хранения на общий выход за время Т_сч.
          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.

          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.

Содержание журнала "Прикладная физика" N 3, 1999 г.