RU158292U1 - PHOTO RECEIVER OF IR RANGE - Google Patents
PHOTO RECEIVER OF IR RANGE Download PDFInfo
- Publication number
- RU158292U1 RU158292U1 RU2015133151/28U RU2015133151U RU158292U1 RU 158292 U1 RU158292 U1 RU 158292U1 RU 2015133151/28 U RU2015133151/28 U RU 2015133151/28U RU 2015133151 U RU2015133151 U RU 2015133151U RU 158292 U1 RU158292 U1 RU 158292U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- cadmium
- silicon
- infrared
- sapphire substrate
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники, в частности к конструкции матричного интегрального фотоприемного устройства инфракрасного диапазона (ИК ФПУ) и может быть использована для регистрации оптических сигналов в передающих телевизионных камерах, в оптических спектрометрах, анализаторах газовых и жидких сред, в системах искусственного зрения роботов, в системах формирования инфракрасного (ИК) изображения военного, промышленного, научно-исследовательского и медицинского назначения. Предлагаемое устройство имеет повышенную радиационную стойкость, быстродействие, низкое энергопотребление и тепловыделение, и более технологичную конструкцию. Это достигается тем, что в известном устройстве, содержащем матрицу фоточувствительных элементов, выполненных в эпитаксиальном слое кадмий-ртуть-теллур, расположенном на буферном слое теллурида кадмия, и схему обработки, выполненную в кремнии, буферный слой теллурида кадмия расположен на диэлектрической сапфировой подложке, а схема обработки выполнена в эпитаксиальном слое кремния ориентации (100), расположенном на той же стороне сапфировой подложки. The proposed utility model relates to the field of microelectronics and optoelectronics, in particular to the design of an infrared array photodetector integrated photodetector (IR FPU) and can be used to register optical signals in transmitting television cameras, in optical spectrometers, gas and liquid media analyzers, and in artificial view of robots in infrared (IR) imaging systems for military, industrial, research and medical purposes. The proposed device has increased radiation resistance, speed, low power consumption and heat dissipation, and a more technological design. This is achieved by the fact that in the known device containing a matrix of photosensitive elements made in an epitaxial layer of cadmium-mercury-tellurium located on a buffer layer of cadmium telluride, and a processing circuit made in silicon, a buffer layer of cadmium telluride is located on a dielectric sapphire substrate, and The processing scheme is performed in an epitaxial silicon layer of orientation (100) located on the same side of the sapphire substrate.
Description
Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники, в частности к конструкции матричного интегрального фотоприемного устройства инфракрасного диапазона (РЖ ФПУ) и может быть использована для регистрации оптических сигналов в передающих телевизионных камерах, в оптических спектрометрах, анализаторах газовых и жидких сред, в системах искусственного зрения роботов, в системах формирования инфракрасного (ИК) изображения военного, промышленного, научно-исследовательского имедицинскогоназначения.The proposed utility model relates to the field of microelectronics and optoelectronics, in particular to the design of an infrared array photodetector integrated array (FPU) and can be used to record optical signals in transmitting television cameras, in optical spectrometers, gas and liquid media analyzers, and in artificial view of robots in systems for the formation of infrared (IR) images of military, industrial, research and medical purposes.
Фотоприемное устройства (ФПУ) изготавливаются на основе ИК фотоприемников с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) и схемы обработки фотосигнала (мультиплексоры) с управляющей электроникой.Photodetector devices (FPUs) are made on the basis of infrared photodetectors with photosensitive elements (PSEs) and photo signal processing circuits (multiplexers) with control electronics.
В настоящее время наиболее востребованными являются ИК ФПУ, работающие в области прозрачности атмосферы (длины волн λ=3-5 и λ=8-14 мкм). В этом диапазоне длин волн наибольшей чувствительностью обладают материалы кадмий-ртуть-теллур (CdxHg1-xTe) состав которых определяется требуемым диапазоном длин волн. Для таких фоточувствительных матриц (ФЧМ) схему обработки (мультиплексоры) изготавливают на кремниевых пластинах Si с ориентацией (100) по стандартной технологии изготовления интегральных схем (ИС). При этом коммутацию ФЧМ и мультиплексора осуществляют с помощью индиевых столбов [1 Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. Новосибирск «Наука» с. 361, 2001].At present, the most demanded are IR FPUs operating in the field of atmospheric transparency (wavelengths λ = 3-5 and λ = 8-14 μm). In this wavelength range, cadmium-mercury-tellurium (Cd x Hg 1-x Te) materials are most sensitive, the composition of which is determined by the required wavelength range. For such photosensitive arrays (PMFs), a processing circuit (multiplexers) is fabricated on silicon silicon wafers with an orientation of (100) using standard integrated circuit (IC) manufacturing technology. At the same time, the switching of the PSM and the multiplexer is carried out using indium columns [1 Matrix photodetector devices of the infrared range. Novosibirsk "Science" with. 361, 2001].
Известны фотоприемные устройства ИК диапазона [2 В.И. Стафеев, К.О. Болтарь, И.Д. Бурлаков и др. Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра на основе фотодиодов из CdxHg1-xTe- ФТП, 2005, том 39 (10) с. 1257-1265.], содержащие матрицу фоточувствительных элементов на основе эпитаксиальных слоев KPT, выращенных на подложке CdZnTe или на подложке GaAs через буферные слои CdZnTe или CdTe и мультиплексоры, выполненные на кремниевой подложке. Сопряжение матрицы фоточувствительных элементов с мультиплексорами осуществляется методом «холодной» компрессионной сварки индиевых микроконтактов (flip-chip).Known infrared photodetectors [2 V.I. Stafeev, K.O. Boltar, I.D. Burlakov et al. Matrix photodetectors in the middle and far infrared spectral ranges based on photodiodes from Cd x Hg 1-x Te-FTP, 2005, Volume 39 (10) p. 1257-1265.] Containing a matrix of photosensitive elements based on KPT epitaxial layers grown on a CdZnTe substrate or on a GaAs substrate through CdZnTe or CdTe buffer layers and multiplexers made on a silicon substrate. The matrix of photosensitive elements with multiplexers is coupled by the method of “cold” compression welding of indium microcontacts (flip-chip).
Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:
- усложнение технологии и, как следствие, снижение выхода годных и повышение стоимости изделия в связи с необходимостью применения специально разработанных инфракрасных микроскопов для прецизионного позиционирования многих тысяч индиевых микроконтактов (столбов) кристалла матрицы фоточувствительных элементов и кремниевой подложки, содержащей схему обработки (мультиплексоры);- the complexity of the technology and, as a result, reduced yield and increased cost of the product due to the need to use specially developed infrared microscopes for the precise positioning of many thousands of indium microcontacts (columns) of the crystal of the photosensitive element matrix and silicon substrate containing the processing circuit (multiplexers);
- повышенное тепловыделение и низкая надежность мест связи различных элементов схемы, под действием вибрации и тепловых деформаций;- increased heat dissipation and low reliability of communication points of various circuit elements under the influence of vibration and thermal deformation;
- механические напряжения, возникающие вследствие рассогласования коэффициентов термического расширения используемых материалов, что приводит к разрыву индиевых микроконтактов [3 А.В. Сорочкин, B.C. Варавин, А.В. Предеин, И.В. Сабинина, М.В. Якушев Исследование фотоэлектрических характеристик диодов в макетных фоточувствительных пикселях для монолитного матричного ИК фотоприемника ФТП, 2012, том 46, вып 4 с. 551-557.];- mechanical stresses arising from the mismatch of the thermal expansion coefficients of the materials used, which leads to rupture of the indium microcontacts [3 A.V. Sorochkin, B.C. Varavin, A.V. Predein, I.V. Sabinina, M.V. Yakushev Investigation of the photovoltaic characteristics of diodes in prototype photosensitive pixels for a monolithic matrix IR photodetector FTP, 2012, vol. 46, issue 4 s. 551-557.];
- неконтролируемые изменения характеристик фоточувствительных элементов вплоть до полной деградации вследствие механических напряжений в местах индиевых микроконтактов в процессе компрессионной сварки матрицы фоточувствительных элементов с мультиплексорами [1 Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. Новосибирск «Наука» с. 361, 2001].- uncontrolled changes in the characteristics of photosensitive elements up to complete degradation due to mechanical stresses at the sites of indium microcontacts during compression welding of a matrix of photosensitive elements with multiplexers [1 Matrix infrared photodetector devices. Novosibirsk "Science" with. 361, 2001].
- снижение обнаружительной способности вследствие увеличения шумов:- decrease in detectability due to increased noise:
- возникновение паразитных емкостей и сопротивлений, приводящих также к снижению обнаружительной способности [3 А.В. Сорочкин, B.C. Варавин, А.В. Предеин, И.В. Сабинина, М.В. Якушев Исследование фотоэлектрических характеристик диодов в макетных фоточувствительных пикселях для монолитного матричного ИК фотоприемника ФТП, 2012, том 46, вып 4 с. 551-557].- the occurrence of stray capacitances and resistances, which also lead to a decrease in the detection ability [3 A.V. Sorochkin, B.C. Varavin, A.V. Predein, I.V. Sabinina, M.V. Yakushev Investigation of the photovoltaic characteristics of diodes in prototype photosensitive pixels for a monolithic matrix IR photodetector FTP, 2012, vol. 46, issue 4 s. 551-557].
Кроме того, известно фотоприемное устройства ИК диапазона [3 А.В. Сорочкин, B.C. Варавин, А.В. Предеин, И.В. Сабинина, М.В. Якушев Исследование фотоэлектрических характеристик диодов в макетных фоточувствительных пикселях для монолитного матричного ИК фотоприемника ФТП, 2012, том 46, вып 4 с. 551-557. (с. 552); 4 М.В. Якушев, В.В. Васильев, С.А. Дворецкий и др Разработка элементов технологии монолитного инфракрасного фотоприемника Прикладная физика №2, 2009 с. 120-126 (с. 121)], являющееся прототипом предлагаемой полезной модели, содержащее линейку фоточувствительных элементов, выполненных в виде фотодиодов в эпитаксиальном слое (КРТ) кадмий-ртуть-теллур (CdxHg1-xTe), выращенном через буферный слой теллурида кадмия (CdTe) в специально отведенных для этого участках на поверхности монолитной кремниевой подложки ориентации (310), на которой предварительно изготовлены мультиплексоры.In addition, it is known infrared photodetector [3 A.V. Sorochkin, BC Varavin, A.V. Predein, I.V. Sabinina, M.V. Yakushev Investigation of the photovoltaic characteristics of diodes in prototype photosensitive pixels for a monolithic matrix IR photodetector FTP, 2012, vol. 46, issue 4 s. 551-557. (p. 552); 4 M.V. Yakushev, V.V. Vasiliev, S.A. Dvoretsky et al. Development of technology elements for a monolithic infrared photodetector. Applied Physics No. 2, 2009 p. 120-126 (p. 121)], which is the prototype of the proposed utility model, containing a line of photosensitive elements made in the form of photodiodes in the epitaxial layer (CMT) of cadmium-mercury-tellurium (Cd x Hg 1-x Te) grown through a buffer layer cadmium telluride (CdTe) in specially designated areas on the surface of a monolithic silicon substrate orientation (310), on which multiplexers are prefabricated.
Однако, указанное устройство имеет следующие недостатки: низкую радиационная стойкость схем обработки, низкое быстродействие схем обработки, повышенное тепловыделение и энергопотребление в схемах обработки, т.к. в прототипе схемы обработки выполнены в монолитном кремнии, и низкую технологичность т.к. схема обработки выполнена на кремниевых подложках ориентации (310).However, this device has the following disadvantages: low radiation resistance of the processing circuits, low speed of the processing circuits, increased heat dissipation and power consumption in the processing circuits, as in the prototype processing schemes are made in monolithic silicon, and low manufacturability because The processing scheme was performed on silicon substrates of orientation (310).
Задачей (технический результат) предлагаемой полезной модели является повышение радиационной стойкости, быстродействия, снижение энергопотребления и тепловыделения и технологичности конструкции фотоприемного устройства ИК диапазона.The objective (technical result) of the proposed utility model is to increase radiation resistance, speed, reduce power consumption and heat and manufacturability of the design of the infrared photodetector.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем матрицу фоточувствительных элементов, выполненных в эпитаксиальном слое кадмий-ртуть-теллур, расположенном на буферном слое теллурида кадмия, и схему обработки, выполненную в кремнии, буферный слой теллурида кадмия расположен на диэлектрической сапфировой подложке, а схема обработки выполнена в эпитаксиальном слое кремния ориентации (100), расположенном на той же стороне сапфировой подложки.The problem is achieved in that in the known device containing a matrix of photosensitive elements made in an epitaxial layer of cadmium-mercury-tellurium located on a buffer layer of cadmium telluride, and a processing circuit made in silicon, a buffer layer of cadmium telluride is located on a dielectric sapphire substrate, and the processing scheme is performed in an epitaxial silicon layer of orientation (100), located on the same side of the sapphire substrate.
Фоточувствительные элементы и мультиплексоры сформированы в едином технологическом цикле в эпитаксиальных слоях кадмий-ртуть-теллур и Si (100), соответственно, расположенных на планарной стороне сапфировой подложки. Соединение фотоэлементов и схемы обработки осуществляется прозрачным в ИК области проводником In2O3 с планарной стороны.Photosensitive elements and multiplexers are formed in a single technological cycle in the epitaxial layers of cadmium-mercury-tellurium and Si (100), respectively, located on the planar side of the sapphire substrate. The connection of the photocells and the processing circuit is carried out by the In 2 O 3 conductor transparent on the planar side in the IR region.
На чертеже 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства. Предполагаемое устройство содержит сапфировую подложку (Al2O3) - 1 и последовательно расположенные буферный слой теллурида кадмия (CdTe) - 2; эпитаксиальный слой кремния - 3, в котором сформирована схема обработки фотосигнала (мультиплексор), эпитаксиальный слой фоточувствительного полупроводника (CdxHg1-xTe) - 4, в котором сформирована матрица фоточувствительных элементов и металлические шины - 5.In drawing 1 shows a structural diagram of the proposed device. The proposed device contains a sapphire substrate (Al 2 O 3 ) - 1 and sequentially arranged buffer layer of cadmium telluride (CdTe) - 2; an epitaxial silicon layer - 3, in which a photosignal processing circuit (multiplexer) is formed, an epitaxial layer of a photosensitive semiconductor (Cd x Hg 1-x Te) - 4, in which a matrix of photosensitive elements and metal buses - 5 are formed.
Устройство работает следующим образом. Инфракрасное излучение через прозрачную (в диапазонах 1-5 и 8-14 мкм) подложку сапфира со слоем теллурида кадмия (CdTe) попадает в фотоэлемент созданный в фоточувствительном слое кадмий-ртуть-теллур (CdxHg1-xTe). При попадании на фотоэлемент излучения в нем возникает фотосигнал, который через металлические шины 5 попадает на элементы мультиплексора и регистрируется схемой обработки, находящейся в эпитаксиальном слое кремния (3), расположенного на периферии той же диэлектрической подложки.The device operates as follows. Infrared radiation through a transparent (in the ranges 1-5 and 8-14 μm) sapphire substrate with a layer of cadmium telluride (CdTe) enters the photocell created in the photosensitive cadmium-mercury-tellurium layer (Cd x Hg 1-x Te). When radiation enters the photocell, a photo signal arises in it, which, through the
В предлагаемом устройстве ФПУ ИК диапазона схема обработки выполнена в эпитаксиальном слое кремния, расположенном на диэлектрической подложке, что позволяет на порядки повысить радиационную стойкость схемы обработки фотосигнала вследствие резкого снижения количества радиационно-генерированных носителей заряда по сравнению с их количеством в такой же схеме, но изготовленной в объемном кремнии, что повышает радиационную стойкость конструкции предлагаемого ФПУ ИК диапазона.In the proposed IR FPU device, the processing circuit is made in an epitaxial silicon layer located on a dielectric substrate, which allows increasing the radiation resistance of the photo-processing circuit by orders of magnitude due to a sharp decrease in the number of radiation-generated charge carriers compared to their number in the same circuit, but made in bulk silicon, which increases the radiation resistance of the design of the proposed FPU IR range.
Схема обработки фотосигнала, выполненная в эпитаксиальном слое кремния, расположенном на диэлектрической подложке позволяет осуществить диэлектрическую изоляцию элементов схемы обработки, что обуславливает уменьшения паразитных емкостей областей истока и стока МОП транзисторов в схеме обработки, уменьшение токов утечки и уменьшение паразитных межэлементных емкостей по сравнению со схемами обработки фотосигнала, изготовленных в объемном кремнии (и использующих изоляцию р-n переходами), что позволяет повысить быстродействие предлагаемого ФПУ ИК диапазона.The processing circuit of the photo signal, made in an epitaxial silicon layer located on a dielectric substrate, allows the dielectric isolation of the elements of the processing circuit, which leads to a decrease in stray capacitance of the areas of the source and drain of MOS transistors in the processing circuit, a decrease in leakage currents and a decrease in stray interelement capacities as compared to the processing schemes photosignals made in bulk silicon (and using isolation by pn junctions), which improves the performance of current FPU IR range.
Снижение токов утечки между схемой обработки и подложкой и уменьшение емкостей р-n переходов в схеме обработки фотосигнала, выполненной в эпитаксиальном слое кремния, расположенном на диэлектрической подложке позволяет снизить напряжение питания схемы обработки, что позволяет снизить энергопотребление и тепловыделение в предлагаемом ФПУ ИК диапазона.Reducing the leakage currents between the processing circuit and the substrate and reducing the capacitances of the pn junctions in the photo signal processing circuit made in an epitaxial silicon layer located on the dielectric substrate allows to reduce the supply voltage of the processing circuit, which reduces the power consumption and heat generation in the proposed IR FPA range.
Снижение тепловыделения позволяют снизить требования к системе охлаждения ФПУ, что также повышает технологичность и надежность предложенной конструкции.Reducing heat release can reduce the requirements for the FPU cooling system, which also increases the manufacturability and reliability of the proposed design.
Матрица фоточувствительных элементов и схема обработки фотосигнала выполнены на одной подложке с одной стороны, что упрощает изготовление конструкции и повышает ее технологичность, исключая операцию крепления отдельных элементов устройства на общей плате. Использование эпитаксиального кремния ориентации (100) вместо монолитного кремния ориентации (310) позволяет использовать для изготовления схема обработки в ФПУ предложенной конструкции стандартные хорошо отработанные операции, вписывающиеся в производственные маршруты, что также повышает технологичность (а, следовательно, и стоимость).The matrix of photosensitive elements and the processing circuit of the photosignal are made on the same substrate on one side, which simplifies the manufacture of the structure and improves its manufacturability, excluding the operation of attaching individual elements of the device to a common board. The use of epitaxial silicon of orientation (100) instead of monolithic silicon of orientation (310) makes it possible to use standard well-developed operations that fit into production routes for processing the FPU of the proposed design, which also increases manufacturability (and, consequently, cost).
Таким образом, техническим результатом предлагаемого устройства является повышение радиационной стойкости, быстродействия, снижение энергопотребления и тепловыделения и технологичности конструкции фотоприемного устройства ИК диапазона.Thus, the technical result of the proposed device is to increase radiation resistance, speed, reduce power consumption and heat and manufacturability of the design of the infrared photodetector.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015133151/28U RU158292U1 (en) | 2015-08-07 | 2015-08-07 | PHOTO RECEIVER OF IR RANGE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015133151/28U RU158292U1 (en) | 2015-08-07 | 2015-08-07 | PHOTO RECEIVER OF IR RANGE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU158292U1 true RU158292U1 (en) | 2015-12-27 |
Family
ID=55023652
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015133151/28U RU158292U1 (en) | 2015-08-07 | 2015-08-07 | PHOTO RECEIVER OF IR RANGE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU158292U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795842C1 (en) * | 2023-01-09 | 2023-05-12 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Method for manufacturing photosensitive structures based on two-dimensional bismuth telluride nanoparticles |
-
2015
- 2015-08-07 RU RU2015133151/28U patent/RU158292U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795842C1 (en) * | 2023-01-09 | 2023-05-12 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Method for manufacturing photosensitive structures based on two-dimensional bismuth telluride nanoparticles |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9142585B2 (en) | Image sensor comprising isolated germanium photodetectors integrated with a silicon substrate and silicon circuitry | |
US9812604B2 (en) | Photosensing device with graphene | |
EP1685701B1 (en) | Image sensor comprising isolated germanium photodetectors integrated with a silicon substrate and silicon circuitry | |
Starr et al. | RVS large format arrays for astronomy | |
Davis et al. | Indium antimonide large-format detector arrays | |
Bisotto et al. | 7.5 µm and 5µm pitch IRFPA developments in MWIR at CEA-LETI | |
TWI603463B (en) | Photosensing device and photosensing module | |
Sun et al. | A novel readout integrated circuit with a dual-mode design for single-and dual-band infrared focal plane array | |
Hu et al. | Large format high SNR SWIR HgCdTe/Si FPA with multiple-choice gain for hyperspectral detection | |
JP2011192873A (en) | Wide-wavelength-band photodetector array | |
RU158292U1 (en) | PHOTO RECEIVER OF IR RANGE | |
US11521994B2 (en) | Open circuit voltage photodetector | |
RU2564813C1 (en) | Multichip polychromatic photo receiver (pr) with expanded spectral response of quantum efficiency | |
KR20210052339A (en) | Photosensitive sensor with elementary sensors butted together | |
Xu et al. | Backside-illuminated lateral PIN photodiode for CMOS image sensor on SOS substrate | |
Kilcoyne et al. | Silicon pin focal plane arrays at Raytheon | |
Zogg et al. | Two-dimensional monolithic lead chalcogenide infrared sensor array on silicon read-out chip | |
Lee et al. | Image sensors for low cost infrared imaging and 3D sensing | |
Kozlowski et al. | Low-noise, low-power HgCdTe/Al2O3 1024 x 1024 FPAs | |
Kovacs | INVESTIGATION OF SUPPORTING HARDWARE AND PIXEL DESIGN FOR PHOTON-NUMBER-RESOLVING IMAGERS | |
Young et al. | Construction of the large-format far-infrared array for SIRTF | |
Ives et al. | Large area near infra-red detectors for astronomy | |
Masini et al. | Monolithic and hybrid near infrared detection and imaging based on poly-Ge photodiode arrays | |
Bailey | High performance 256 x 256 hybrid HgCdTe MWIR focal plane arrays | |
Filachev et al. | Results of development and research of the LWIR 4x288 FPA based on MCT photodiodes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180808 |