RU2426196C1 - Two-spectrum photo receiver - Google Patents
Two-spectrum photo receiver Download PDFInfo
- Publication number
- RU2426196C1 RU2426196C1 RU2010122605/28A RU2010122605A RU2426196C1 RU 2426196 C1 RU2426196 C1 RU 2426196C1 RU 2010122605/28 A RU2010122605/28 A RU 2010122605/28A RU 2010122605 A RU2010122605 A RU 2010122605A RU 2426196 C1 RU2426196 C1 RU 2426196C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- short
- layer
- wavelength
- matrix
- long
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного (ИК) излучения нескольких диапазонов спектра, а именно двухспектральному фотоприемному устройству, предназначенное для детектирования излучения в коротковолновом спектральном диапазоне (3-5 мкм) и длинноволновом спектральном диапазоне (8-12 мкм).The invention relates to photosensitive devices for detecting and recording infrared (IR) radiation of several spectral ranges, namely a two-spectral photodetector device for detecting radiation in the short-wavelength spectral range (3-5 μm) and the long-wavelength spectral range (8-12 μm) .
В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронной аппаратуры, в первую очередь тепловизионной и теплопеленгационной, является использование многоспектральных фотоприемных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра. Такая аппаратура значительно повышает информативность и достоверность систем, вероятность обнаружения и распознавания цели в условиях искусственных помех и ложных целей. Наиболее подходящим материалом для создания современной оптико-электронной аппаратуры с использованием многоспектральных фотоприемных модулей (ФПМ) является материал кадмий-ртуть-теллур (КРТ). Выбор материала CdHgTe в качестве основного для ФПМ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают максимальную чувствительность и разрешающую способность в основных ИК-диапазонах 1-3, 3-5 и 8-12 мкм.Currently, one of the main directions for improving optoelectronic equipment, primarily thermal imaging and heat direction finding, is the use of multispectral photodetectors that are sensitive in several spectral ranges. Such equipment significantly increases the information content and reliability of systems, the probability of target detection and recognition under conditions of artificial interference and false targets. The most suitable material for creating modern optoelectronic equipment using multispectral photodetector modules (FPM) is cadmium-mercury-tellurium (CMT) material. The choice of CdHgTe material as the main one for the FPM is due to the fact that the receivers based on it provide maximum sensitivity and resolution in the main IR ranges of 1-3, 3-5, and 8-12 microns.
В настоящее время конструкции двухспектральных (многоспектральных) фотоприемных устройств многократно описаны в патентной литературе.Currently, the design of two-spectral (multispectral) photodetectors has been repeatedly described in the patent literature.
Известен мультиспектральный планарный фотодиод для детектирования излучения ИК-области спектра (US 006034407 A, H01L 31/00, опубл. 07.03.2000 г.). Мультиспектральный фотодиод обеспечивает детектирование ИК-излучения в двух спектральных диапазонах. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой первого типа проводимости, коротковолновый рабочий фоточувствительный слой, барьерный слой первого типа проводимости, длинноволновый рабочий фоточувствительный слой первого типа проводимости, верхний слой первого типа проводимости. При этом контакты всех фоточувствительных элементов матрицы расположены в одной плоскости. Это достигается за счет того, что контакты к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою матрицы за счет вытравливания областей в длинноволновом фоточувствительном слое.Known multispectral planar photodiode for detecting the radiation of the infrared region of the spectrum (US 006034407 A, H01L 31/00, publ. 03/07/2000). Multispectral photodiode provides detection of infrared radiation in two spectral ranges. The matrix of photosensitive elements contains a sequentially arranged substrate, a buffer layer of the first conductivity type, a short-wavelength working photosensitive layer, a barrier layer of the first conductivity type, a long-wavelength working photosensitive layer of the first conductivity type, and an upper layer of the first conductivity type. Moreover, the contacts of all photosensitive elements of the matrix are located in the same plane. This is achieved due to the fact that the contacts to the photosensitive elements of the short-wavelength range of the spectrum are supplied to the short-wavelength working photosensitive layer of the matrix due to the etching of areas in the long-wavelength photosensitive layer.
Известна матрица фоточувствительных элементов (US 007129489 B2, G01J 5/20, опубл. 31.10.2006 г.), в которой контакты коротковолнового диапазона спектра и контакты длинноволнового диапазона спектра расположены на разной высоте. Это обеспечено тем, что контакты коротковолнового диапазона спектра изготовлены на коротковолновом рабочем фоточувствительном слое, а контакты длинноволнового диапазона спектра расположены на длинноволновом рабочем фоточувствительном слое.A known matrix of photosensitive elements (US 007129489 B2, G01J 5/20, publ. 10/31/2006), in which the contacts of the short wavelength range and the contacts of the long wavelength range are located at different heights. This is ensured by the fact that the contacts of the short-wavelength range are made on the short-wavelength working photosensitive layer, and the contacts of the long-wavelength range are located on the long-wavelength working photosensitive layer.
Известно многоспектральное фотоприемное устройство (US 007217982 B2, H01L 29/72, опубл. 15.05.2007 г.), принятое в качестве прототипа, содержащее матрицу фоточувствительных элементов с контактами, состыкованными с контактами интегральной схемы считывания. Матрица фоточувствительных элементов содержит коротковолновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 3-8 мкм и длинноволновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 7-14 мкм и соответствующие фоточувствительные элементы. Контакты матрицы фоточувствительных элементов и контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков. Столбики к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою за счет вытравливания областей в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое, что обеспечивает расположение всех контактов матрицы в одной плоскости.Known multispectral photodetector (US 007217982 B2, H01L 29/72, published May 15, 2007), adopted as a prototype, containing a matrix of photosensitive elements with contacts docked with the contacts of the integrated readout circuit. The matrix of photosensitive elements contains a short-wavelength working photosensitive layer for absorbing the spectrum range of 3-8 microns and a long-wavelength working photosensitive layer for absorbing the spectrum range of 7-14 microns and corresponding photosensitive elements. The contacts of the matrix of photosensitive elements and the contacts of the integrated reading circuit are made in the form of indium columns. Columns to the photosensitive elements of the short-wavelength range of the spectrum are supplied to the short-wavelength working photosensitive layer due to the etching of regions in the long-wavelength working photosensitive layer, which ensures that all the contacts of the matrix are located in the same plane.
Однако известные патенты не описывают технологию стыковки матрицы фоточувствительных элементов с контактами (индиевыми столбиками), расположенными в разновысоких плоскостях, и интегральной схемы считывания.However, well-known patents do not describe the technology of docking a matrix of photosensitive elements with contacts (indium columns) located in different planes, and an integrated reading circuit.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежной конструкции двухспектрального фотоприемного устройства, состоящего из матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания, состыкованных индиевыми столбиками.The objective of the invention is to provide a reliable design of a two-spectral photodetector, consisting of a matrix of photosensitive elements and an integrated reading circuit, docked with indium columns.
Технический результат достигается тем, что двухспектральное фотоприемное устройство содержит матрицу фоточувствительных элементов с коротковолновым рабочим фоточувствительным слоем и длинноволновым рабочим фоточувствительным слоем и соответствующими фоточувствительными элементами для коротковолнового и длинноволнового диапазонов спектра. Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой коротковолнового рабочего фоточувствительного слоя, а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой коротковолнового и длинноволнового рабочих фоточувствительных слоев. Контакты матрицы фоточувствительных элементов состыкованы с контактами интегральной схемы считывания. Для обеспечения стыковки матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков разной высоты. Фоточувствительные элементы коротковолнового диапазона спектра расположены в центральной области матрицы, а фоточувствительные элементы длинноволнового диапазона спектра и общие контакты расположены в периферийных областях матрицы.The technical result is achieved by the fact that the two-spectrum photodetector contains a matrix of photosensitive elements with a short-wavelength working photosensitive layer and a long-wavelength working photosensitive layer and corresponding photosensitive elements for the short-wave and long-wave ranges of the spectrum. The matrix of photosensitive elements consists of three differently high regions - the central and two peripheral ones. The height of the central region is determined by the height of the short-wavelength working photosensitive layer, and the height of the two peripheral regions is determined by the total height of the short-wavelength and long-wavelength working photosensitive layers. The contacts of the matrix of photosensitive elements are connected to the contacts of the integrated reading circuit. To ensure the docking of the matrix of photosensitive elements and the integrated reading circuit, the contacts of the integrated reading circuit are made in the form of indium columns of different heights. The photosensitive elements of the short-wavelength range of the spectrum are located in the central region of the matrix, and the photosensitive elements of the long-wavelength range of the spectrum and common contacts are located in the peripheral regions of the matrix.
Выполнение матрицы фоточувствительных элементов в виде трех разновысоких областей обеспечивает симметричность ее конструкции. Это приводит к равномерному распределению нагрузки на контакты при стыковке матрицы фоточувствительных элементов с интегральной схемой считывания, что, в свою очередь, решает задачу создания надежной конструкции двухспектрального фотоприемного устройства, состоящего из матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания, состыкованных индиевыми столбиками.The implementation of the matrix of photosensitive elements in the form of three differently high regions ensures the symmetry of its design. This leads to a uniform distribution of the load on the contacts when docking the matrix of photosensitive elements with an integrated readout circuit, which, in turn, solves the problem of creating a reliable design of a two-spectral photodetector device consisting of a matrix of photosensitive elements and an integrated readout circuit docked by indium columns.
Изобретение поясняется чертежами,The invention is illustrated by drawings,
где на фиг.1 представлена структура матрицы фоточувствительных элементов (вид спереди);where figure 1 shows the structure of the matrix of photosensitive elements (front view);
на фиг.2 - структура матрицы фоточувствительных элементов (вид сверху);figure 2 - structure of the matrix of photosensitive elements (top view);
на фиг.3 - матрица фоточувствительных элементов на основе КРТ с разновысокими контактами;figure 3 - matrix of photosensitive elements based on CMT with differently high contacts;
на фиг.4 - интегральная схема считывания с разновысокими контактами.figure 4 - integrated reading circuit with differently high contacts.
Предложено двухспектральное фотоприемное устройство (ДФПУ) многорядного типа. Фоточувствительные элементы предназначены для детектирования излучения в коротковолновом спектральном диапазоне (3-5 мкм) и длинноволновом спектральном диапазоне (8-12 мкм).A two-spectrum photodetector device (DFPU) of a multi-row type is proposed. Photosensitive elements are designed to detect radiation in the short-wavelength spectral range (3-5 microns) and the long-wavelength spectral range (8-12 microns).
Матрица фоточувствительных элементов изготовлена как многослойная полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура на основе трехкомпонентного твердого раствора CdxHg1-xTe. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные:The matrix of photosensitive elements is made as a multilayer semiconductor heteroepitaxial structure based on a three-component solid solution Cd x Hg 1-x Te. The matrix of photosensitive elements contains sequentially located:
1 - подложку CdZnTe;1 - substrate CdZnTe;
2 - буферный слой CdTe (на буферном слое может быть выращен варизонный слой, состав которого х плавно изменяется от 1,0±0,05 до 0,28±0,05 в направлении от подложки);2 - CdTe buffer layer (a graded-gap layer can be grown on the buffer layer, the composition of which x varies smoothly from 1.0 ± 0.05 to 0.28 ± 0.05 in the direction from the substrate);
3 - коротковолновый рабочий фоточувствительный слой CdxHg1-xTe состава х=0,28±0,05 первого типа проводимости, соответствующий спектральному диапазону 3-5 мкм, толщиной порядка 6 мкм (на коротковолновом рабочем фоточувствительном слое может быть выращен барьерный слой толщиной не менее 0,5 мкм, уменьшающий взаимное проникновение носителей заряда между рабочими фоточувствительными слоями);3 - a short-wavelength working photosensitive layer Cd x Hg 1-x Te of composition x = 0.28 ± 0.05 of the first type of conductivity, corresponding to a spectral range of 3-5 μm, a thickness of about 6 μm (a barrier layer can be grown on a short-wavelength working photosensitive layer a thickness of at least 0.5 μm, which reduces the mutual penetration of charge carriers between the working photosensitive layers);
4 - длинноволновый рабочий фоточувствительный слой CdxHg1-xTe состава х=0,22±0,05 первого типа проводимости, соответствующий спектральному диапазону 8-12 мкм, толщиной порядка 6 мкм;4 - long-wavelength working photosensitive layer Cd x Hg 1-x Te of composition x = 0.22 ± 0.05 of the first conductivity type, corresponding to a spectral range of 8-12 μm, a thickness of about 6 μm;
5 - полупроводниковый материал CdHgTe n-типа проводимости, формирующий фотодиоды;5 - semiconductor material CdHgTe n-type conductivity, forming photodiodes;
6 - диэлектрическое покрытие толщиной порядка 1 мкм;6 - dielectric coating with a thickness of the order of 1 μm;
7 - контакты (индиевые столбики) к фоточувствительным элементам матрицы;7 - contacts (indium columns) to the photosensitive elements of the matrix;
8 - общие контакты.8 - general contacts.
Два рабочих фоточувствительных слоя постоянного состава одного типа проводимости соответствуют двум диапазонам фоточувствительности устройства (3-5 и 8-12 мкм).Two working photosensitive layers of constant composition of one type of conductivity correspond to two ranges of photosensitivity of the device (3-5 and 8-12 microns).
Интегральная схема считывания обеспечивает параллельное считывание и обработку сигнала двухспектрального фотоприемного устройства многорядного типа в двух спектральных диапазонах (3-5 и 8-12 мкм) обеспечивает режим временной задержки и накопления и имеет смешанную разводку выводов.The integrated readout circuit provides parallel reading and processing of the signal of a two-spectral multi-type photodetector in two spectral ranges (3-5 and 8-12 microns) provides a time delay and accumulation mode and has a mixed pinout.
Контакты матрицы фоточувствительных элементов состыкованы с контактами интегральной схемы считывания.The contacts of the matrix of photosensitive elements are connected to the contacts of the integrated reading circuit.
Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой коротковолнового рабочего фоточувствительного слоя, а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой коротковолнового и длинноволнового рабочих фоточувствительных слоев. Фоточувствительные элементы коротковолнового спектрального диапазона расположены в центральной области матрицы фоточувствительных элементов, а фоточувствительные элементы длинноволнового спектрального диапазона и общие контакты расположены в периферийных областях матрицы фоточувствительных элементов.The matrix of photosensitive elements consists of three differently high regions - the central and two peripheral ones. The height of the central region is determined by the height of the short-wavelength working photosensitive layer, and the height of the two peripheral regions is determined by the total height of the short-wavelength and long-wavelength working photosensitive layers. The photosensitive elements of the short-wavelength spectral range are located in the central region of the matrix of photosensitive elements, and the photosensitive elements of the long-wavelength spectral range and common contacts are located in the peripheral regions of the matrix of photosensitive elements.
Исходя из разновысокости областей матрицы на разной высоте находятся и фоточувствительные элементы коротковолнового и длинноволнового диапазонов спектра. Для обеспечения стыковки контактов матрицы фоточувствительных элементов и контактов интегральной схемы считывания контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде разновысоких индиевых столбиков - более высоких в центральной области и менее высоких в периферийных областях. Разная высота индиевых столбиков интегральной схемы считывания позволяет с высокой точностью и высоким процентом выхода годных стыковать матрицу и интегральную схему считывания методом холодной сварки.Based on the unevenness of the matrix regions, the photosensitive elements of the short-wave and long-wavelength ranges of the spectrum are also located at different heights. To ensure the docking of the contacts of the matrix of photosensitive elements and the contacts of the integrated reading circuit, the contacts of the integrated reading circuit are made in the form of uneven indium columns - higher in the central region and lower in the peripheral regions. The different heights of the indium columns of the integrated readout circuit makes it possible to join the matrix and integrated readout circuit using cold welding with high accuracy and a high percentage of yield.
Простота технологического процесса изготовления матрицы фоточувствительных элементов достигается за счет того, что фотодиоды в обоих рабочих фоточувствительных слоях формируются в едином технологическом процессе. Расстояние между фоточувствительными элементами двух областей спектральной чувствительности (3-5 и 8-12 мкм) выбирается таким образом, чтобы надежно проводить технологические операции фотолитографии и химического травления с последующими операциями изготовления фотодиодов. Исходя из экспериментальных исследований, расстояние между фоточувствительными элементами двух спектральных диапазонов (3-5 и 8-12 мкм) в месте перепада высот на гетероэпитаксиальной структуре составляет более 80 мкм, но менее 100 мкм.The simplicity of the manufacturing process of the matrix of photosensitive elements is achieved due to the fact that the photodiodes in both working photosensitive layers are formed in a single technological process. The distance between the photosensitive elements of the two regions of spectral sensitivity (3-5 and 8-12 microns) is selected in such a way as to reliably carry out the technological operations of photolithography and chemical etching with subsequent operations for the manufacture of photodiodes. Based on experimental studies, the distance between the photosensitive elements of two spectral ranges (3-5 and 8-12 microns) at the height difference on the heteroepitaxial structure is more than 80 microns, but less than 100 microns.
Простота юстировки сканера достигается за счет того, что линейки фоточувствительных элементов различных спектральных диапазонов расположены в интегральной гетероэпитаксиальной структуре и расстояние между фоточувствительными элементами спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм составляет менее 100 мкм при шаге между каналами не более 28 мкм.The scanner alignment is simple due to the fact that the lines of photosensitive elements of various spectral ranges are located in an integrated heteroepitaxial structure and the distance between the photosensitive elements of the spectral ranges of 3-5 and 8-12 μm is less than 100 μm with a step between channels of no more than 28 μm.
В процессе работы фотоприемного устройства (для варианта устройства, где длинноволновый рабочий фоточувствительный слой расположен на коротковолновом рабочем фоточувствительном слое) потоки излучения с энергией кванта hv1≥Eg (первого спектрального диапазона 3-5 мкм) и hv2≥Eg (второго спектрального диапазона 8-12 мкм) проходят через подложку из CdZnTe - 1 и проходят через буферный слой CdTe - 2. Затем поток излучения первого спектрального диапазона поглощается коротковолновым рабочим фоточувствительным слоем 3 состава х=0,28±0,05, а поток второго спектрального диапазона поглощается в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое 4 состава х=0,22±0,05. Неравновесные носители заряда, генерированные излучением в слоях 3, 4, диффундируют к областям объемного заряда, образованным на границах полупроводников p и n-типа, где втягиваются электрическим полем p-n-переходов и принимают участие в процессе возникновения электрического тока.During operation of the photodetector (for a variant of the device where the long-wavelength working photosensitive layer is located on the short-wavelength working photosensitive layer), the radiation fluxes with quantum energies hv 1 ≥E g (first spectral range 3-5 μm) and hv 2 ≥E g (second spectral 8-12 μm) pass through a CdZnTe - 1 substrate and pass through a CdTe - 2 buffer layer. Then, the radiation flux of the first spectral range is absorbed by the short-wavelength working photosensitive layer 3 of composition x = 0.28 ± 0.05, and the second tral band is absorbed in the long working photosensitive layer 4 with x = 0,22 ± 0,05. Nonequilibrium charge carriers generated by radiation in layers 3, 4 diffuse to the regions of space charge formed at the boundaries of p and n-type semiconductors, where pn junctions are drawn by the electric field and take part in the process of electric current generation.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010122605/28A RU2426196C1 (en) | 2010-06-01 | 2010-06-01 | Two-spectrum photo receiver |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010122605/28A RU2426196C1 (en) | 2010-06-01 | 2010-06-01 | Two-spectrum photo receiver |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2426196C1 true RU2426196C1 (en) | 2011-08-10 |
Family
ID=44754761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010122605/28A RU2426196C1 (en) | 2010-06-01 | 2010-06-01 | Two-spectrum photo receiver |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2426196C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2708553C1 (en) * | 2019-04-15 | 2019-12-09 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Two-spectral photosensitive device |
-
2010
- 2010-06-01 RU RU2010122605/28A patent/RU2426196C1/en active IP Right Revival
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2708553C1 (en) * | 2019-04-15 | 2019-12-09 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Two-spectral photosensitive device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9450007B1 (en) | Integrated circuit with reflective material in trenches and related methods | |
| US11929382B2 (en) | Shallow trench textured regions and associated methods | |
| US10923614B2 (en) | Photodiode, photodiode array, and solid-state imaging device | |
| US20190088704A1 (en) | Image sensors | |
| US5721429A (en) | Self-focusing detector pixel structure having improved sensitivity | |
| US8441087B2 (en) | Direct readout focal plane array | |
| US10115764B2 (en) | Multi-band position sensitive imaging arrays | |
| US9490292B1 (en) | Dual-band detector array | |
| US7148551B2 (en) | Semiconductor energy detector | |
| KR20180071802A (en) | Image sensor | |
| US11251217B2 (en) | Photodetector sensor arrays | |
| JP2015073029A (en) | Infrared solid-state imaging device | |
| US20110101483A1 (en) | Two colour photon detector | |
| US10312391B2 (en) | Apparatus and method for single-photon avalanche-photodiode detectors with reduced dark count rate | |
| US10069032B2 (en) | Method of forming an infrared photodetector | |
| JP5677238B2 (en) | Solid-state imaging device | |
| US9704907B1 (en) | Direct read pixel alignment | |
| US9685477B2 (en) | Two-terminal multi-mode detector | |
| RU2426196C1 (en) | Two-spectrum photo receiver | |
| Predein et al. | High-performance 320× 256 long-wavelength infrared photodetector arrays based on CdHgTe layers grown by molecular beam epitaxy | |
| US9960308B2 (en) | Photoelectric conversion element | |
| US10090426B2 (en) | Dark current mitigation with diffusion control | |
| RU2564813C1 (en) | Multichip polychromatic photo receiver (pr) with expanded spectral response of quantum efficiency | |
| US20100295141A1 (en) | Two colour photon detector | |
| TWI660491B (en) | Image sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130602 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150720 |