[1]Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного (ИК) излучения в различных спектральных диапазонах, а именно многокристальному многоцветному фотоприемному устройству (ФПУ), предназначенному для детектирования излучения в нескольких спектральных поддиапазонах инфракрасной области спектра от 3,5 до 12,7 мкм.
[2]В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронной аппаратуры, в первую очередь тепловизионной и теплопеленгационной, является использование многоцветных фотоприемных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра.
[3]Известно, что температура объекта наблюдения может быть определена по соотношению излучательных способностей объекта наблюдения в различных спектральных диапазонах с помощью детектирования излучения как минимум в двух спектральных диапазонах.
[4]Важной особенностью аппаратуры на основе многокристальных многоцветных фотоприемных устройств является расширенная спектральная характеристика квантовой эффективности, что позволяет:
[5]- детектировать большое количество событий и наблюдаемых объектов, которые инициируют фотосигналы различной амплитуды в различных спектральных диапазонах;
[6]- сравнивать амплитуды сигналов от фотоприемных устройств, работающих в различных спектральных диапазонах при наблюдении за одними и теми же объектами излучения;
[7]- анализировать местоположение и пространственные характеристики объектов излучения на основе снятия сигналов с элементов матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ), входящих в многокристальное ФПУ;
[8]- анализировать временное распределение параметров наблюдаемых объектов на основе снятия сигналов с элементов различных МФЧЭ, входящих в многокристальное ФПУ;
[9]- идентифицировать события на основе проведенного временного и пространственного анализа.
[10]Такая аппаратура значительно повышает информативность и достоверность систем, вероятность обнаружения и распознавания объектов излучения в условиях искусственных и естественных помех.
[11]Наиболее подходящим материалом для создания современной оптико-электронной аппаратуры с использованием многокристальных многоцветных ФПУ является материал кадмий-ртуть-теллур (CdHgTe, или КРТ). Выбор материала CdHgTe в качестве основного для ФПУ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают максимальную квантовую эффективность и чувствительность в ИК-диапазоне спектра.
[12]В настоящее время конструкции многоцветных фотоприемных устройств широко описаны в патентной литературе.
[13]Известна фотоприемная матрица цветного изображения для детектирования излучения в видимой области спектра в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации цветного изображения [RU 238967, H01L 27/146, опубл. 20.10.2009 г.]. Фотоприемная матрица цветного изображения содержит ячейки, имеющие фоточувствительные области, каждая из которых расположена на глубине полупроводниковой структуры, соответствующей генерации носителей заряда от световой компоненты заданного цвета, и обеспечивает детектирование излучения в трех спектральных диапазонах видимой области (красной (R), зеленой (G) и голубой (B)), расположенных по схеме Байера.
[14]Известно многокристальное многоцветное фотоприемное устройство и способ идентификации событий с его помощью «Multi-array sensor and method of identifying events using the same» [EP 0973019, B12, G01J 5/60, опубл. 27.03.2002], принятое в качестве прототипа, содержащее одну или две матрицы фоточувствительных элементов, детектирующих излучение как минимум в двух спектральных диапазонах. В патенте приведены три основных типа конструкции многокристального многоцветного ФПУ, состоящего из матриц фоточувствительных элементов, состыкованных с помощью индиевых микроконтактов с кремниевыми большими интегральными схемами считывания сигнала (фиг. 1, 2, 3 (а, б, в, г), 4), или их комбинация:
[15]- ФПУ, у которого кристаллы матриц чувствительных элементов, гибридизированные с помощью индиевых столбиков с одной интегральной схемой считывания и детектирующие излучение в различных спектральных диапазонах, расположены в одной плоскости; излучение на кристаллы МФЧЭ фокусируется с помощью раздельных оптических систем; при этом расстояние между отдельными кристаллами не лимитируется, поэтому при использовании раздельных оптических систем существенно возрастают габариты ФПУ;
[16]- ФПУ, у которого кристаллы матриц чувствительных элементов, гибридизированные с помощью индиевых столбиков с разными интегральными схемами считывания и детектирующие излучение в различных спектральных диапазонах, расположены в различных плоскостях на значительном расстоянии друг от друга; излучение на кристаллы МФЧЭ фокусируется с помощью одной оптической системы, разделяющей поток излучения на два с помощью полупрозрачной пластины; это приводит к уменьшению как минимум в два раза интенсивности падающего на отдельные кристаллы МФЧЭ потока излучения и существенно возрастают габариты ФПУ;
[17]- ФПУ, у которого имеется один кристалл МФЧЭ, гибридизированный с помощью индиевых столбиков с одной интегральной схемой считывания; нами не рассматривается, т.к. не является многокристальным.
[18]Задачей предлагаемого изобретения является создание компактной универсального применения конструкции многокристального многоцветного фотоприемного устройства с расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности, состоящего из отдельных кристаллов матриц фоточувствительных элементов, гибридизированных с помощью индиевых микроконтактов с одной или несколькими большими интегральными схемами считывания фотосигнала.
[19]Технический результат достигается тем, что многокристальное многоцветное фотоприемное устройство состоит как минимум из четырех матриц фоточувствительных элементов, детектирующих излучение в двух, трех или четырех спектральных диапазонах ИК области спектра, и одной или четырех БИС считывания, гибридизированных индиевыми микроконтактами с кристаллами МФЧЭ; при этом каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристаллов МФЧЭ и БИС считывания сигнала или части БИС считывания, настроен на отдельный заданный спектральный диапазон ИК области спектра, что позволяет ФПУ работать без уменьшения фотосигналов и потери информативности изображения, а фоточувствительные модули, работающие в разных спектральных диапазонах, располагаются с минимальным зазором между кристаллами (10-20 мкм).
[20]Для данной конструкции ФПУ изображение наблюдаемых объектов фокусируется оптической системой одновременно на каждый из четырех кристаллов МФЧЭ, работающих параллельно в четырех (двух или трех) спектральных диапазонах.
[21]Каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристалла МФЧЭ и БИС считывания сигнала, работает в своем заданном спектральной диапазоне ИК области спектра за счет использования специально выращенных гетероструктур полупроводникового материала КРТ с рабочими фоточувствительными слоями определенного состава, оптимизированными под заданные спектральные диапазоны ИК области спектра.
[22]Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структура многокристального многоцветного ФПУ; на фиг. 2 - прецизионная сборка четырех кристаллов МФЧЭ, гибридизированных с четырьмя БИС считывания на общую коммутирующую подложку; фиг. 3 (а, б, в, г) - спектральные характеристики фоточувствительности МФЧЭ в ИК области спектра от 3,5 до 12,7 мкм; фиг. 4 - конструкция гетероэпитаксиальной структуры КРТ; фиг. 5 - фрагмент кристалла матрицы фоточувствительных элементов с индиевыми столбиками.
[23]Многокристальное многоцветное фотоприемное устройство (фиг.1), состоит как минимум из четырех матриц фоточувствительных элементов (позиции 1-4), детектирующих излучение в двух, трех или четырех спектральных диапазонах ИК области спектра (от 3,5 до 12,7 мкм), одной или четырех больших интегральных схем считывания (позиции 5-8), гибридизированных индиевыми микроконтактами с кристаллами МФЧЭ, коммутирующей подложки (позиция 9), вакуумного корпуса (позиция 10).
[24]Для получения изображения от наблюдаемых объектов необходимо сфокусировать изображение объектов в плоскость расположения матриц фоточувствительных элементов, при этом используется одна оптическая система (не показана), чтобы изображение фокусировалось на элементы всех матриц одновременно. Фоточувствительные модули, состоящие из кристаллов МФЧЭ и БИС, располагаются как можно ближе друг к другу с минимальным зазором между кристаллами (10-20 мкм). Для лучшей идентификации изображений массивы имеют одинаковое количество элементов, которое не лимитируется в рамках данного изобретения. Массивы могут быть прямоугольными или квадратными матрицами, от 64×64 и более элементов, что определяется требуемой разрешающей способностью. Матрицы МФЧЭ, представленные в качестве примера на фиг. 2, имеют размер 384×288 элементов и располагаются в едином корпусе, который устраняет доступ нежелательных внешних воздействий. Корпус содержит входное окно, которое одновременно может быть элементом оптической системы.
[25]Многокристальное многоцветное ФПУ изготавливается, используя технологический процесс прецизионной сборки фоточувствительных модулей, состоящих из кристаллов МФЧЭ и БИС, на общую коммутирующую подложку с зазором между фоточувствительными модулями не более 10-20 мкм. При этом отсутствие одного или двух рядов элементов в МФЧЭ (в месте стыковки фоточувствительных модулей) при формирования ИК-изображения мало отразится на качестве самого изображения. На фиг. 2 представлен процесс прецизионной сборки фоточувствительных модулей в единое ФПУ формата 768×576 элементов, состоящее из четырех фоточувствительных модулей формата 384×288 элементов, который включает следующие основные операции:
[26]- подготовку поверхностей фоточувствительных модулей, состоящих из МФЧЭ и БИС, и коммутирующей подложки к приклеиванию;
[27]- нанесение вакуумного клея;
[28]- точное позиционирование фоточувствительных модулей с прижимом при помощи микроманипуляторов и контролем зазоров между кристаллами при помощи микроскопа.
[29]Каждый фоточувствительный модуль, состоящий из кристалла МФЧЭ и БИС, работает в своем заданном спектральном диапазоне ИК области спектра за счет использования специально выращенных гетероструктур полупроводникового материала КРТ с рабочими фоточувствительными слоями определенного состава, оптимизированными под заданные спектральные диапазоны. На фиг. 3 (а, б, в, г) представлены спектральные характеристики фоточувствительности кристаллов МФЧЭ, используемых для различных модификаций ФПУ.
[30]Кристаллы МФЧЭ предназначены для детектирования излучения в ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 12,7 мкм. Основные спектральные поддиапазоны, в которых работают отдельные фоточувствительные модули: 3,5-4,4 мкм; 5,0-7,0 мкм, 8,3-10,6 мкм; 10,4-12,7 мкм, при этом длинноволновая граница фоточувствительности обеспечивается составом фоточувствительного материала КРТ, а коротковолновая граница фоточувствительности обеспечивается фильтрующим покрытием на подложке МФЧЭ. Многокристальные многоцветные ФПУ могут состоять из различных комбинаций фоточувствительных модулей, чувствительных в представленных выше спектральных диапазонах ИК области спектра в зависимости от задачи, решаемой оптико-электронным прибором, в который входит данное многокристальное многоцветное ФПУ.
[31]Матрица фоточувствительных элементов изготовляется на основе многослойной полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры из трехкомпонентного твердого раствора кадмий-ртуть-теллур CdxHg1-xTe.
[32]Гетероэпитаксиальная структура кристалла матрицы фоточувствительных элементов представлена на фиг. 4 и содержит последовательно расположенные:
[33]11 - подложку кадмий-цинк-теллур (CdZnTe);
[34]12 - буферные слои ZnTe, CdTe;
[35]13 - варизонный слой, состав которого x плавно изменяется от 1,0±0,05 до рабочего состава в направлении от подложки;
[36]14 - рабочий поглощающий фоточувствительный слой CdxHg1-xTe заданного состава x p-типа проводимости, соответствующий одному из вышеприведенных спектральных диапазонов;
[37]15 - фотодиодный слой CdxHg1-xTe n+-типа проводимости, формирующий фотодиоды;
[38]16 - диэлектрическое покрытие, толщиной порядка 1 мкм;
[39]Большая интегральная схема считывания обеспечивает параллельное считывание и обработку сигнала с кристалла МФЧЭ заданного спектрального диапазона многокристального многоцветного ФПУ в ИК области спектра от 3,5 до 12,7 мкм.
[40]Контакты каждого из кристаллов матрицы фоточувствительных элементов состыкованы с контактами одной или четырьмя большими интегральными схемами считывания. Большие интегральные схемы считывания или единая схема БИС работают в параллельном режиме синхронного считывания информации с четырех кристаллов МФЧЭ. Для вывода сигналов выходные контактные площадки БИС соединены с контактными выводами специальной контактной подложки (растра), после чего выводятся на разъем ФПУ.
[41]В процессе работы фотоприемного устройства поток излучения с энергией кванта hν≥Eg проходит через подложку из CdZnTw - 11, через буферный слой CdTe - 12. Затем поток излучения поглощается в рабочем фоточувствительном слое 13 заданного состава. Неравновесные носители заряда, генерированные излучением в рабочем фоточувствительном слое 13, диффундируют к области объемного заряда, образованной на границах полупроводников p- и n-типа, где втягиваются электрическим полем p-n-переходов и принимают участие в процессе возникновения электрического тока.
[42]Разделение падающего на МФПУ пучка ИК-излучения осуществляется специальной оптической системой, работающей в ИК области спектра, со светоделителями. Последующее совмещение ИК-изображений от отдельных кристаллов фоточувствительных модулей на общий экран осуществляется специальным блоком электроники на основе сигнального процессора. Оптическая система может иметь диспергирующий элемент (призма), в этом случае МФПУ работает как гиперспектральное устройство.
[43]Многокристальное многодиапазонное ФПУ обеспечивает регистрацию наблюдаемых объектов в четырех измерениях (двумерное пространство изображений, время, спектральный диапазон); позволяет определять температуры наблюдаемых объектов по соотношению излучательных способностей объекта в различных спектральных диапазонах; обеспечивает повышение точности временного и пространственного анализа за счет сравнения фотосигналов в различных спектральных диапазонах. Многокристальное многоцветное ФПУ обладает расширенной спектральной характеристикой квантовой эффективности за счет использования четырех кристаллов МФЧЭ, работающих в четырех (возможно двух или трех) спектральных диапазонах ИК-области спектра.
