Фотоприемные устройства

     Под техническим зрением понимается возможность регистрации пространственного  изображения наблюдаемого объекта по аналогии с тем, как это осуществляется в видимом и ИК-диапазонах. Естественно, что для этого, в первую очередь, необходимо создание матричных фотоприемных устройств, способных воспринимать пространственное изображение объекта. В основе матричного устройства лежит точечный фотоприемник (пиксель), и чем количество их больше, тем лучше основные  характеристики приемного устройства для зрения. Несмотря на то, что давно существуют разнообразные фотоприемники в УФ-диапазоне спектра, сегодня представить матричное устройство на их основе весьма сложно. Реально устройство для зрения может быть создано на основе полупроводниковых материалов. Среди известных в настоящее время полупроводниковых материалов алмаз по своим характеристикам, особенно в УФ-спектральном диапазоне излучения, занимает не только лидирующее положение, но и, можно сказать, является единственным материалом для реального осуществления зрения. 

Концепция построения матричных  фотоприемных устройств 

     Фотоприемное устройство в УФ-спектральном  диапазоне излучения состоит из матричного фотоприемника и мультиплексора — устройства управления, сбора и обработки информации. Обычный матричный фотоприемник представляет собой решетчатую структуру (матрица с адресным опросом). Матрица содержит две системы шин — условно горизонтальные и вертикальные шины (решетку); на пересечении шин к ним подключаются фоточувствительные алмазные фотоприемники (пиксели). Необходимые функции пикселя — детектирование оптического сигнала, накопление, коммутация выполняются в “обычном” фоторезисторе. Генерированные излучением носители накапливаются, и “живут” в объеме фоторезистора в течение времени жизни таун. Коммутация осуществляется простой подачей питания. Так что фоторезисторная матрица по структуре пикселя самая простая: к точкам пересечения шин строк и столбцов подключается только фоторезистор. По горизонтальным шинам подаются импульсы опроса, а по вертикальным шинам сигнал передается на выход.                  Принципиальным является опрос стыковки многоэлементного фотоприемника и мультиплексора. На сегодняшний день в технологии создания фотоприемного устройства возможны два направления. 

Фотоприемное  устройство, собранное по технологии “флип-чип” 

     Матричный фотоприемник и мультиплексор стыкуются с помощью высоких (6–8 мкм) индиевых микростолбов, сформированных как на приемнике, так и на мультиплексоре. На рис. 1 представлена схема гибридного фотоприемного устройства, собранного по технологии “флип-чип”.

       В данной схеме генерация неравновесных носителей заряда УФ-излучением, близким к краю фундаментального поглощения алмаза (225 нм), эффективно осуществляется в приповерхностном слое порядка 10 мкм. Для того, чтобы генерированные в приповерхностной области матричного фотоприемника неравновесные носители заряда (электроны) смогли за время жизни продрейфовать к противоположной стороне и перетечь в накопительную емкость ячейки считывания мультиплексора, на полупрозрачный P t-электрод необходимо подать отрицательное напряжение порядка 200 В при толщине алмазного кристалла 200 мкм. Тогда носители будут дрейфовать в режиме насыщения дрейфовой скорости (1–2)×107 см/с и за время пролета порядка 10–9 с, сопоставимого со временем жизни, достигнут противоположной стороны кристалла. Чтобы приблизить область генерации носителей к мультиплексору, матричный фотоприемник с нерабочей стороны можно локально утончать (создавать окна-колодцы) с помощью лазерных технологий или с помощью плазмо-химического травления (ПХТ) в аргон-кислородной плазме. Преимуществом данной компоновки является то, что алмазный кристалл сажается сразу на кремний, который затем ставится в корпус для разварки выводов мультиплексора на внешние выводы корпуса. В качестве существенных недостатков отметим : высокое напряжение смещения и снижение квантовой эффективности, поскольку засветка осуществляется через металлический электрод.  

Фотоприемное  устройство, собранное  по планарной технологии 

     В данном случае матричный фотоприемник и мультиплексор располагаются в одной плоскости на подложке носителе, как правило, сапфире.

     Преимуществом данного варианта является низкое напряжение смещения на резисторе и повышение  квантовой эффективности, так как  засветка осуществляется непосредственно в алмаз. Однако для реализации данной схемы необходимо создание матричного фотоприемника на основе ионно-имплантированных планарных фоторезисторов. На рис. 3 представлена схема матричного фотоприемника на основе ионно-имплантированных планарных фоторезисторов. Матрица фоторезисторов изготавливается с помощью ионной имплантации бора, причем активная захороненная р-область делается слаболегированной. Захороненный слой удален от поверхности, тем самым подавляется поверхностная рекомбинация.

       На алмазной подложке необходимо делать двухуровневую разводку (горизонтальные и вертикальные шины) в сторону от кристалла для присоединения двух линейчатых кремниевых мультиплексоров по схеме компоновки с адресацией к фоточувствительным элементам по строкам и столбцам. Но данная схема для матричных фотоприемников имеет меньшее время накопления сигнала в ячейке мультиплексора, которое соответствует времени опроса строки, а не полному времени опроса всего кадра, как в фотоприемном устройстве с параллельной адресацией. В этом случае ограничиваются пороговые характеристики матричного фотоприемника.

       Кратко сравним оба варианта  изготовления фоторезисторов в  матрице на основе алмаза с  точки зрения достижения более  низкого порога чувствительности (высокой обнаружительной способности). Были созданы и исследованы вольт-амперные и спектральные характеристики фоторезисторов различных конструкций на основе алмаза 2а типа с пониженной концентрацией азота с целью определения их возможного использования для создания многоэлементных фотоприемных устройств [1–4]. Установлено, что их токовая чувствительность лежит в пределах 1–2 A /Вт. Для фоторезисторов на основе алмаза вольтовая чувствительность зависит от сопротивления нагрузки, от параметров материала — подвижности, времени жизни носителей и от расстояния между контактами. В настоящее время наиболее трудно контролируемым и мало изученным параметром в алмазе является время жизни носителей, особенно это касается ионно-имплантированных слоев. Из проведенных оценок следует, что время жизни в нелегированном алмазе равно 10–9 с и его существенно ограничивают азотные центры, концентрация которых очень высокая. Другим параметром, определяющим вольтовую чувствительность фотоприемников, который можно контролировать с помощью технологии изготовления фотоприемников, является квантовая эффективность. Достоинством ионно-легированного фотоприемника

является  то, что засветка осуществляется непосредственно  в алмаз, в отличие от нелегированного, где УФ-излучение проходит через полупрозрачный Pt-электрод толщиной 10 нм и сильно в нем поглощается (рис. 1). Коэффициент отражения алмаза R можно уменьшить с помощью напыления специально подобранных

просветляющих покрытий, c коэффициентом преломления n, близким к алмазу, например Al2O3, у которого n = 1,62.

     В гибридном фотоприемном устройстве на матрицу фоторезисторов необходимо подавать высокие напряжения смещения U= 200В, чтобы вытягивать неравновесные носители заряда за время их жизни. Очевидно, что в планарном, изготовленном с помощью ионной имплантации бора, напряжение может быть снижено до 1–5 В, при тех же величинах тянущего электрического поля. Таким образом, при переходе к планарной технологии изготовления матричного фотоприемного устройства на основе ионно-имплантированного бором алмаза можно получить существенный в (1–2)×10² раз выигрыш в пороге чувствительности по сравнению с гибридным. Однако, как было отмечено ранее, для более точной оценки порога чувствительности фоторезисторов, необходимо знать величину подвижности и времени жизни носителей в зависимости от уровня легирования и остаточных донорных центров в кристаллах алмаза, квантовую эффективность на основе данных по коэффициенту поглощения алмаза в области фундаментального поглощения, что требует проведения дополнительных исследований. Существенные недостатки гибридных фотоприемных устройств: высокое напряжение смещения и малая квантовая эффективность (засветка осуществляется через металлический электрод) для планарных являются преимуществами: малые значения напряжение смещения и относительно высокие значения квантовой эффективности (засветка осуществляется непосредственно в алмаз). 

Технология  создания матричных фотоприемных устройств 

     В ходе исследований разработаны технологические маршруты для каждого варианта матричных фотоприемных устройств. Технология создания гибридного матричного фотоприемника содержит 3 операции фотолитографии и 3 операции напыления металлов. Технология создания планарного матричного фотоприемника включает 13 операций фотолитографии, 3 операции полиэнергетической (25–500 кэВ) ионной имплантации бора, 2 операции осаждения диэлектриков и 2 операции напыления металлов. Поскольку технологически гибридные матричные фотоприемные устройства более просты и технология фотоприемников для них более отработана, на первом этапе нами были разработаны и созданы 2х64, 64х64 и 128х128 гибридные матричные фотоприемные устройства. В качестве примера на рис. 4 приведены пикселы матричного фотоприемника 128х128 для гибридного фотоприемного устройства.

     На  одной стороне алмазной пластины фотоприемного устройства расположены 128х128 элементов в виде золотых  столбиков, а на другой стороне алмазной пластины имеется полупрозрачный слой платины. Далее происходило формирование индиевых столбов высотой 6–8 мкм  на планарной стороне, включающее в себя операции напыления толстого слоя индия и фотолитографию по индию (рис. 5).

  Затем с помощью установки для стыковки мультиплексора с чувствительным элементом происходила сборка матрицы фоторезисторов с мультиплексором. В качестве кремниевого мультиплексора использовалась микросхема фирмы INDIGO SYSTEMS — ISC9809. К достоинствам этого мультиплексора можно отнести возможность менять полярность смещения, что позволяет использовать чувствительные элементы из полупроводников как p-, так и n-типов. Емкостной характер съема сигнала позволил согласовать высокое сопротивление алмазного чувствительного

элемента  с низкоомным кремниевым мультиплексором. Еще одним достоинством этого  мультиплексора является возможность

произвольной выборки области кадра из всего массива пикселей 320х256, что позволяет использовать чувствительные элементы меньшего формата. Это немаловажное обстоятельство при работе с природными алмазами, когда размеры чувствительного элемента ограничены. Шаг растра фоторезистивной матрицы на основе природного алмаза задавался шагом пикселей мультиплексора и составлял 30 мкм.(22 через 8).

При изготовлении гибридного матричного фотоприемного устройства 2х64, нами был разработан и изготовлен специальный линейный мультиплексор МК6А. Мультиплексор имеет 128 прямоинжекционных входных устройств, контактные площадки которых расположены с шагом 100 мкм. Для соединения контактов линейки с контактами мультиплексора использовалась переходная керамическая плата “жук”. Переходная плата необходима, поскольку:

а) контактные площадки алмазной линейки 64х 2 выходят  на две стороны относительно ее центральной  части;

б) расстояния между центрами контактных площадок 74 мкм;

в) контактные площадки мультиплексора выходят на одну сторону;

г) расстояния между контактными площадками мультиплексора 100 мкм.

После изготовления всех элементов сборка алмазной линейки вместе с мультиплексором проводилась в корпусе типа “Мамонт” с 64 выводами. Мультиплексор наклеивался на керамическое основание корпуса. Далее наклеивался непроводящим клеем “жук”, затем на контакты “жука” непроводящим клеем наклеивалась алмазная линейка. Далее проводилась разварка контактов линейки 30-микронной проволокой с контактами “жука” (64 контакта на одной стороне линейки и 64 — на другой). Затем проводилась разварка 128 контактов “жука” с 128 входными контактами мультиплексора, а после этого — разварка 25 контактов мультиплексора с

ножками корпуса. Контакт от центральной полосы линейки также сваривался с одной из ножек корпуса. После этого корпус закрывался крышкой (пластиной из плавленого кварца) толщиной 0,5 мм. Кварцевая крышка наклеивалась на корпус через промежуточную диэлектрическую рамку толщиной 2 мм (для того, чтобы не повредить

проволочные соединения). Общий вид алмазной линейки с мультиплексором в корпусе “Мамонт ” показан на рис. 6.

     На  рис. 7 представлены распределение значений фототока от различных пикселей гибридного матричного устройства 64х64 при напряжении смещения 200 В. 

Из рис. 7 видно, что отдельные элементы матрицы обладают различными значениями фоточувствительности. Такая неравномерность фоточувствительности обусловлена внутренними локальными микронеоднородностями природного кристалла алмаза, в которых, по-видимому, присутствуют центры рекомбинации, резко ограничивающие время жизни неравновесных электронов и дырок.

Оптимальный путь повышения однородности параметров матричных фотоприемников на алмазе — изготовление их на эпитаксиальных пленочных структурах, в которых возможно управление дефектным составом, влияющим на электрофизические параметры материала и, следовательно, — на однородность фотоэлектрических параметров матричных фотоприемников. Одновременно здесь в меньшей степени будет сказываться и масштабный фактор, когда не надо будет вытягивать носители из области генерации через весь объем кристалла толщиной 200–300 мкм. Этот эффект