RU2125321C1

RU2125321C1 - Hybrid photo-sensitive circuit

Info

Publication number: RU2125321C1
Application number: RU97105722A
Authority: RU
Inventors: Г.Х. Аветисян; И.Д. Залевский; В.Б. Куликов
Original assignee: Государственное унитарное предприятие Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1999-01-20

Abstract

FIELD: semiconductor electronics, in particular, design of multiple-unit photodetectors. SUBSTANCE: multiple-unit photodetector in hybrid photo-sensitive circuit is based on X-Y addressing. Each column is connected to corresponding channel of linear multiplexer which provides possibility to accumulate signal charges. In addition multiple-unit photodetector is equipped with additional layer, which is located between structure with quantum dips and lower conducting layer and has opposite conductance. This layer is electrically cut into strips which are continuous within range of each line and are connected to corresponding channels of line commutator. EFFECT: increased threshold sensitivity in conditions of increased background illumination. 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоэлементных фотоприемников. The present invention relates to the field of semiconductor electronics and can be used to create multi-element photodetectors.

В настоящее время имеется значительное число сообщений о создании ИК-фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами (СКЯ), в том числе многоэлементных-линейных и матричных (см. например, обзор "Quantum-well infrared photodetectors" B.F. Levine, J.Appl. Phys, 74(8), 15 October, 1993). Currently, there are a significant number of reports on the creation of infrared photodetectors based on structures with quantum wells (QW), including multi-element linear and matrix ones (see, for example, the review of "Quantum-well infrared photodetectors" by BF Levine, J.Appl. Phys. 74 (8), October 15, 1993).

Обычно матричные фотоприемники на основе СКЯ конструктивно представляют собой гибридную фоточувствительную схему (ГФС), в которой собственно фотоприемная матрица электрически связана с матричным кремниевым мультиплексором посредством индиевых столбиков (flip-chip-сборка). Недостатком такой конструкции является ограниченность емкости накопительных ячеек в матричном мультиплексоре площадью чувствительного элемента, что ограничивает применение такой ГФС задачами, в которых фоновая облученность относительно мала. Typically, CQW matrix photodetectors are structurally a hybrid photosensitive circuit (HFS), in which the photodetector itself is electrically connected to the silicon matrix multiplexer using indium columns (flip-chip assembly). The disadvantage of this design is that the capacity of the storage cells in the matrix multiplexer is limited by the area of the sensitive element, which limits the application of such a HFS to tasks in which the background irradiation is relatively small.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ГФС, описанная в работе "Long-wavelength 128x128 GaAs quantum well infarared photodetector arrays"-B. F. Levine et.al., Semicjnd,. Soi. Technol. 1991, v6. C 114-C119. ГСФ состоит из матричного фотоприемника на основе DaAs/AlGaAs СКЯ форматом 128х128 элементов, электрически связанного посредством индиевых столбиков с матричным кремниевым мультиплексором. Ограниченность емкости накопительной ячейки в мультиплексоре приводит к тому, что ГФС работает при частоте кадров свыше 100 Гц даже при относительно невысокой фоновой облученности (около 10^-5Вт/см²). В результате считывание сигналов происходит с частотой свыше 1 МГц, что увеличивает собственный шум мультиплексора. Преодоление указанной проблемы возможно за счет увеличения абсолютного значения заряда, состоящего из суммы сигнального и фонового зарядов, в накопительной емкости мультиплексора. С одной стороны, это позволит повысить отношение сигнал/шум, реализуемое непосредственно в ячейке С другой стороны, оно не будет ухудшено, если шум фонового заряда будет значительно превышать шумы мультиплексора, что опять же тем легче обеспечить, чем больше абсолютная величина заряда.Closest to the proposed technical solution is the HFS described in the work "Long-wavelength 128x128 GaAs quantum well infarared photodetector arrays" -BF Levine et.al., Semicjnd ,. Soi. Technol. 1991, v6. C 114-C119. The GSF consists of a matrix detector based on DaAs / AlGaAs CQWs with a format of 128x128 elements, electrically connected via indium columns with a silicon matrix multiplexer. The limited capacity of the storage cell in the multiplexer leads to the fact that the HFS works at a frame rate of more than 100 Hz even with relatively low background irradiation (about 10 ^-5 W / cm ² ). As a result, the reading of signals occurs with a frequency above 1 MHz, which increases the intrinsic noise of the multiplexer. Overcoming this problem is possible by increasing the absolute value of the charge, consisting of the sum of the signal and background charges, in the storage capacity of the multiplexer. On the one hand, this will make it possible to increase the signal-to-noise ratio realized directly in the cell. On the other hand, it will not be degraded if the noise of the background charge significantly exceeds the noise of the multiplexer, which again is all the more easier to ensure the greater the absolute value of the charge.

Технической задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является повышение пороговой чувствительности ГФС в условиях повышенной фоновой облученности. The technical problem solved by the present invention is to increase the threshold sensitivity of HFS in conditions of increased background irradiation.

Указанная задача решается посредством того, что матричный фотоприемник имеет X-Y-адресацию, а в состав микросхем выделения сигналов входит линейный мультиплексор, предназначенный для накопления и считывания сигналов с матричного фотоприемника, каждый столбец которого электрически связан с соответствующим каналом линейного мультиплексора, и коммутатор строк, предназначенный для поочередной подачи напряжения на строки матричного фотоприемника, между структурой с квантовыми ямами и нижним проводящим слоем размещен дополнительный слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости структуры с квантовыми ямами и нижнего проводящего слоя, при этом дополнительный слой разделен на полоски, непрерывные в пределах каждой строки и электрически соединенные с соответствующими каналами коммутатора строк. This problem is solved by the fact that the matrix photodetector has XY addressing, and the signal extraction microcircuit includes a linear multiplexer designed to accumulate and read signals from the matrix photodetector, each column of which is electrically connected to the corresponding channel of the linear multiplexer, and a row switch designed to alternately supply voltage to the rows of the matrix photodetector, an additional layer is placed between the structure with quantum wells and the lower conductive layer , the type of conductivity of which is opposite to the type of conductivity of the structure with quantum wells and the lower conductive layer, while the additional layer is divided into strips that are continuous within each row and are electrically connected to the corresponding channels of the row switcher.

Использование в предлагаемой ГФС МФП с X-Y-адресацией, а также линейных микросхем выделения сигналов-коммутатора строк и мультиплексора (в отличие от матричного коммутатора в прототипе), - позволяет сделать независимой величину накопительной емкости мультиплексора от размеров фоточувствительной ячейки МФП. Действительно, в линейном мультиплексоре геометрические размеры накопительной ячейки ограничены только по одной координате шагом МФП. По другой же координате размер ячейки, а значит и ее емкость могут изменяться в широких пределах. В предложенной конструкции опрос МФП должен осуществляться построчно. Для реализации такого режима использована конструкция МФП с X-Y-адресацией. Принципиальным отличием предложенного устройства является наличие дополнительного слоя, расположенного между СКЯ и нижним проводящим слоем, и образующего с ними p-n- переходы. По существу указанный слой является базой биполярного транзистора, коллектором и эмиттером которого являются СКЯ и нижний проводящий слой соответственно. Такой транзистор изолирует чувствительные элементы матрицы друг от друга и от нижнего проводящего слоя (т. е. от источника питания), когда на базу подан нулевой или запирающий потенциал, и подключает их к источнику питания, когда на базу подается отпирающее напряжение. Таким образом, каждый чувствительный элемент МФП содержит встроенный ключ, который отсутствует у известных аналогов. Непрерывность полосок, на которые разделен дополнительный слой, в пределах каждой сроки позволяет одновременно коммутировать все элементы данной строки при подаче на данную полоску отпирающего потенциала от соответствующего канала коммутатора строк. Разделение слоя на полоски позволяет осуществлять независимую коммутацию строк. Как следует из вышеизложенного, в предлагаемой ГФС в целях реакции положительного эффекта используется режим строчного накопления и используется в основном в условиях высокой фоновой облученности. Однако в ней же может быть реализован и режим кадрового накопления (на емкости СКЯ), когда величина фоновой облученности достаточно низка. Таким образом, в предложенной ГФС сохраняются и функции прототипа. The use of the proposed HFS MFP with X-Y addressing, as well as linear microcircuits for isolating the row switch signals and a multiplexer (in contrast to the matrix switch in the prototype), makes it possible to make the multiplexer storage capacity independent of the size of the photosensitive MFP cell. Indeed, in a linear multiplexer, the geometric dimensions of the storage cell are limited in only one coordinate by the MFP step. On the other coordinate, the cell size, and hence its capacity, can vary within wide limits. In the proposed design, the MFP should be polled line by line. To implement this mode, the design of the MFP with X-Y addressing is used. The fundamental difference between the proposed device is the presence of an additional layer located between the SCW and the lower conductive layer, and forming pn junctions with them. Essentially, this layer is the base of the bipolar transistor, the collector and emitter of which are the SCW and the lower conductive layer, respectively. Such a transistor isolates the sensitive elements of the matrix from each other and from the lower conductive layer (i.e., from the power source) when zero or blocking potential is applied to the base, and connects them to the power source when the trigger voltage is applied to the base. Thus, each MFP sensitive element contains a built-in key, which is absent in known analogues. The continuity of the strips into which the additional layer is divided, within each time frame, allows all elements of a given line to be switched simultaneously when a release potential is applied to a given strip from the corresponding channel of the row switch. Dividing the layer into strips allows independent line switching. As follows from the foregoing, in the proposed HFS, in order to react with a positive effect, the line accumulation mode is used and is mainly used under conditions of high background irradiation. However, the mode of personnel accumulation can also be realized in it (at the CJC capacitance), when the value of the background irradiation is sufficiently low. Thus, in the proposed HFS, the functions of the prototype are also preserved.

На основании изложенного можно утверждать, что отличия предложенного устройства от аналогов являются существенными, поскольку в указанном сочетании они обеспечивают положительный эффект - повышение пороговой чувствительности в условиях фоновой облученности. Based on the foregoing, it can be argued that the differences between the proposed device and analogues are significant, since in the indicated combination they provide a positive effect - an increase in threshold sensitivity under background irradiation.

Данное техническое решение обладает изобретательским уровнем, т.к. элементы новизны не являются очевидными для специалистов. В частности, введение дополнительного слоя в МФП на основе СКЯ до настоящего времени не применялось. Изготовление МФП в виде матрицы с X-Y-адресацией, опрос ее с помощью коммутатора строк и линейного мультиплексора, обеспечивающего накопление сигнальных зарядов, а также реализация встроенного в чувствительный элемент ключа посредством введения дополнительного слоя в совокупности обеспечивают достижение положительного эффекта. Последний признак обеспечивает также сохранение в данном устройстве и функций прототипа - режима кадрового накопления. Указанное сочетание отличительных признаков является новым и дающим положительный эффект. This technical solution has an inventive step, because elements of novelty are not obvious to specialists. In particular, the introduction of an additional layer in the MQW based MFP has not yet been applied. The manufacture of an MFP in the form of a matrix with X-Y addressing, polling it using a row switch and a linear multiplexer, which ensures the accumulation of signal charges, as well as the implementation of a key integrated into the sensitive element by introducing an additional layer, together provide a positive effect. The last feature also ensures the preservation in this device and the functions of the prototype - the personnel accumulation mode. The specified combination of distinctive features is new and gives a positive effect.

На фиг. 1 изображена функциональная схема ГФС. Строки ФПМ 1 электрически связаны с коммутатором строк 2, осуществляющего поочередное подключение их к источнику питания, обеспечивающего подачу отпирающего смещения на базы ключевых транзисторов. Столбцы матрицы электрически связаны с входами линейного мультиплексора 3, осуществляющего накопление и вынос сигналов. На фиг. 2 изображены электрическая схема и конструкция отдельного чувствительного элемента. На подложке 4 расположены последовательно нижний проводящий слой 5, дополнительный слой 6 и СКЯ 7. Слой 6 имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости слоя 5 и СКЯ 7. Слой 6 разделен на полоски, которые непрерывны в пределах одной строки МФП. Иначе говоря, каждая строка МФП представляет собой многоколлекторный биполярный транзистор, в котором база в виде полоски дополнительного слоя является непрерывной в пределах данной строки, а коллектор разделен на элементы, являющиеся чувствительными элементами МФП. In FIG. 1 shows a functional diagram of the HFS. Lines FPM 1 are electrically connected to the switch lines 2, which carries out their alternate connection to a power source, providing a supply of unlocking bias to the base of the key transistors. The matrix columns are electrically connected to the inputs of the linear multiplexer 3, which carries out the accumulation and removal of signals. In FIG. 2 shows the electrical circuit and construction of a separate sensing element. On the substrate 4, the lower conductive layer 5, the additional layer 6 and the SCW 7 are arranged in series. The layer 6 has a conductivity type opposite to that of the layer 5 and the SCW 7. The layer 6 is divided into strips that are continuous within the same MFP row. In other words, each MFP row is a multi-collector bipolar transistor, in which the base in the form of an additional layer strip is continuous within this row, and the collector is divided into elements that are MFP sensitive elements.

Устройство работает следующим образом. При подаче отпирающего напряжения на базу (слой 6) данной строки между эмиттером (слой 5) и коллектором (СКЯ 7) потечет ток, величина которого будет определяться сопротивлением СКЯ, т. е. облученностью и рабочей температурой. Этот ток регистрируется в аналоговом мультиплексоре 3 фиг. 1 в течение времени коммутации строки. После отключения базы от источника питания чувствительные элементы данной строки оказываются изолированными друг от друга и от эмиттера. В течение времени коммутации строки сигнальные заряды от предыдущей строки выводятся из мультиплексора на устройства последующей обработки сигналов. Данная строка снова будет подключена к источнику отпирающего напряжения после опроса остальных строк матрицы, т.е. через время кадра. Величина зарядов, прошедших при этом через чувствительные элементы и зарегистрированных в соответствующих емкостях мультиплексора 3, будет пропорциональна облученности чувствительных элементов при фиксированном времени кадра. Описанный режим работы называется режимом строчного накопления, поскольку сигнальный заряд копится только в течение времени коммутации строки. Однако, как отмечалось выше, в такой ГФС может быть реализован и режим кадрового накопления. Такой режим в чистом виде может быть осуществлен, когда постоянная времени RC-цепочки, образованной сопротивлением СКЯ и ее контактами, будут больше времени кадра. В этом случае при подаче отпирающего напряжения на базу через RC-цепочку потечет ток, заряжающий емкость до напряжения питания. Этот ток регистрируется в мультиплексоре в виде заряда. После отключения данной строки емкости ее чувствительных элементов будут разряжаться через внутренние сопротивления элементов, величины которых будут обратно пропорциональны облученности. Через время кадра данная строка будет снова подключена к источнику питания, и величины зарядов, на которые разрядились емкости элементов данной строки, будут зарегистрированы в мультиплексоре при протекании через них токов дозарядки. Таким образом, регистрация (накопление) сигналов будет происходить в течение всего времени кадра. В случае, когда RC несколько меньше времени кадра, может быть реализован промежуточный режим, при котором накопление частично будет происходить на собственной емкости чувствительных элементов (в течение времени порядка RC), и частично в емкости мультиплексора (в течение времени коммутации строки). The device operates as follows. When a trigger voltage is applied to the base (layer 6) of this line, a current will flow between the emitter (layer 5) and the collector (SCW 7), the value of which will be determined by the resistance of the SCW, i.e., irradiation and operating temperature. This current is recorded in the analog multiplexer 3 of FIG. 1 during line switching time. After disconnecting the base from the power source, the sensitive elements of this line are isolated from each other and from the emitter. During the line switching time, the signal charges from the previous line are output from the multiplexer to the signal processing devices. This line will again be connected to the source of the trigger voltage after polling the remaining rows of the matrix, i.e. through frame time. The magnitude of the charges that have passed through the sensing elements and recorded in the respective capacities of the multiplexer 3 will be proportional to the irradiation of the sensitive elements at a fixed frame time. The described operating mode is called the line accumulation mode, since the signal charge is accumulated only during the line switching time. However, as noted above, a personnel accumulation mode can also be implemented in such a HFS. Such a pure mode can be implemented when the time constant of the RC chain formed by the resistance of the SCW and its contacts is longer than the frame time. In this case, when the unlocking voltage is applied to the base, an current will flow through the RC circuit, charging the capacitance to the supply voltage. This current is recorded in the multiplexer as a charge. After turning off this line, the capacitances of its sensitive elements will be discharged through the internal resistances of the elements, the values of which will be inversely proportional to the irradiation. After the frame time, this line will again be connected to the power source, and the values of the charges to which the capacitances of the elements of this line are discharged will be recorded in the multiplexer when recharging currents flow through them. Thus, the registration (accumulation) of signals will occur throughout the frame time. In the case when RC is slightly less than the frame time, an intermediate mode can be implemented in which the accumulation will partially occur on the intrinsic capacitance of the sensitive elements (during a time of the order of RC), and partially in the multiplexer capacitance (during the line switching time).

Фотоприемная секция описанного устройства может быть реализована на основе GaAs/AlGaAs СКЯ. На полуизолирующей или проводящей подложке GaAs методом МОС-гидридной или молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается нижний проводящий слой n-типа, затем выращивается дополнительный слой p-типа проводимости и далее выращивается СКЯ (n-типа проводимости), содержащая около 50 пар барьеров и ям, параметры которых подбираются таким образом, чтобы обеспечить требуемые фотоэлектрические характеристики. Структура заканчивается верхним контактным слоем (n-типа). Фоточувствительные элементы формируются посредством травления СКЯ до слоя p-типа (базы). Строки формируются посредством вытравливания шин в p-слое до нижнего контактного слоя. Столбцовые шины формируются посредством металлических полосок, электрически соединенных с соответствующими чувствительными элементами через контактный слой на их поверхностях. Микросхемы обработки и выделения сигналов ГФC могут быть изготовлены на основе стандартных технологий, применяемых при создании кремниевых микросхем. Коммутатор строк может быть изготовлен в виде сдвигового регистра по КМОП технологии. Мультиплексор может быть изготовлен в виде ПЗС-коммутатора или многоканального усилителя, при этом в обоих случаях в каждом канале должна быть емкость, осуществляющая накопление сигнального заряда, величина которой будет определяться конкретным назначением ГФС. Сборка ГФС осуществляется посредством ультразвуковой или термокомпрессионной сварки. The photodetector section of the described device can be implemented based on a GaAs / AlGaAs CQW. On the semi-insulating or conductive GaAs substrate, the lower n-type conductive layer is grown by MOS hydride or molecular beam epitaxy, then an additional p-type conductivity layer is grown, and then an NQW (n-type conductivity) containing about 50 pairs of barriers and wells is grown. whose parameters are selected in such a way as to provide the required photovoltaic characteristics. The structure ends with an upper contact layer (n-type). Photosensitive elements are formed by etching of the SCW to a p-type layer (base). Rows are formed by etching the tires in the p-layer to the lower contact layer. Column busbars are formed by metal strips electrically connected to respective sensing elements through a contact layer on their surfaces. Microcircuits for processing and extracting HFC signals can be made on the basis of standard technologies used to create silicon microcircuits. The line switch can be made in the form of a shift register for CMOS technology. The multiplexer can be made in the form of a CCD switch or a multi-channel amplifier, in both cases, each channel must have a capacitance that accumulates the signal charge, the value of which will be determined by the specific purpose of the HFS. HFS assembly is carried out by means of ultrasonic or thermocompression welding.

Следует подчеркнуть, что для создания ГФС практически на всех этапах могут быть использованы стандартные технологические процессы, что говорит о возможности ее промышленного выпуска. It should be emphasized that standard technological processes can be used to create HFS at almost all stages, which indicates the possibility of its industrial production.

Использование описанного устройства в медицинский и промышленных инфракрасных системах позволит повысить эффективность их применения, благодаря повышению пороговой чувствительности в условиях сильной фоновой облученности. The use of the described device in medical and industrial infrared systems will improve the efficiency of their use, due to increased threshold sensitivity in conditions of strong background irradiation.

Промышленный выпуск ГФС, возможность которого отмечалась выше, позволит снизить ее стоимость по сравнению с аналогами на основе HgCdTe в несколько раз. The industrial production of HFS, the possibility of which was noted above, will reduce its cost by several times in comparison with analogues based on HgCdTe.

Claims

A hybrid photosensitive circuit including an array photodetector based on a structure with quantum wells grown on a semi-insulating substrate and separated from it by a lower conductive layer having the same type of conductivity as the structure with quantum wells, as well as signal extraction circuits electrically connected to the matrix photodetector , characterized in that the matrix photodetector has X - Y-addressing, and the composition of the signal extraction microcircuit includes a linear multiplexer designed to store and read signals fishing from the matrix photodetector, each column of which is electrically connected to the corresponding channel of the linear multiplexer, and a row switch, designed to alternately supply voltage to the rows of the matrix photodetector, between the structure with quantum wells and the lower conductive layer there is an additional layer whose conductivity type is opposite to the type of conductivity of the structure with quantum wells and the lower conductive layer, while the additional layer is divided into strips, continuous within each row and metrically connected to the corresponding channel row switch.