входит в состав холдинга ОАО «Швабе»

 

МАТРИЧНЫЕ И СУБМАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ МОДУЛИ

П. Гиндин, д.т.н., В. Карпов, к.ф.-м.н., Н. Кузнецов, В. Петренко, к.т.н.,
В. Семенов, к.т.н., В. Чишко, д.ф.-м.н.,

Рассматриваются номенклатура, принципы построения и основные характеристики разработанных серийно-ориентированных фотоприемных модулей второго поколения.

 

В 2008 – 2010 г.г. ОАО «Швабе-Фотосистемы» была проведена разработка серийно-ориентированных фотоприемных модулей второго поколения для перспективной тепловизионной аппаратуры [1-5]. Целью разработки являлось создание промышленно-ориентированных конструкций и технологии сборки инфракрасных фотоприемных модулей (ФПМ) второго поколения:

- субматричных фотоприемных модулей формата 4х288 элементов;

- матричных фотоприемных модулей форматов 320х240 и 320х256 элементов.

Работа проводилась в интересах модернизации и импортозамещения ФПМ в тепловизионных каналах для комплексов управления и наблюдения различного назначения.

Разработаны следующие фотоприемные модули второго поколения:

- ФУК 149М и ФУК 154М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х240 и 320х256 элементов диапазона (3…5) мкм;

- ФУК 148М и ФУК 152М – унифицированные субматричные фотоприемные модули форматом 4х288 элементов диапазона (8…10,5) мкм, работающие в двухпроходном режиме временной задержки и накопления;

- ФУК 143М и ФУК 151М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х256 элементов диапазона (8…10,5) мкм.

 

СОСТАВ ФОТОПРИЕМНЫХ МОДУЛЕЙ

Рассматриваемые модули построены по однотипной схеме.

Типовой состав фотоприемного модуля:

- матрица или субматрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на основе фотодиодов из InSbили КРТ;

- кремниевая БИС считывания (мультиплексор), гибридизированная индиевыми микроконтактами с МФЧЭ и обеспечивающая считывание, предварительное усиление и мультиплексирование сигналов МФЧЭ;

- вакуумный криостатируемый корпус, в котором размещены МФЧЭ, кремниевая БИС, газопоглотители и охлаждаемая диафрагма с оптическим фильтром, обеспечивающим заданный спектральный диапазон чувствительности;

- микрокриогенная система (МКС) охлаждения.

 

МАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ InSb

Матричные фотоприемники на основе антимонида индия (InSb) предназначены для работы в области спектра (3–5) мкм. Были разработаны матричные фотоприемники форматом (320х240) элементов и форматом (320х256) элементов со строчно-кадровой организацией считывания.

МФЧЭ разработана [4] на основе матрицы фотодиодов из антимонида индия с тонкой базовой областью на кремниевой несущей подложке. Такая конструкция МФЧЭ обеспечивает согласование по коэффициентам термического расширения МФЧЭ и кремниевую БИС считывания (мультиплексор), что минимизирует влияние термомеханических напряжений на гибридную сборку МФЧЭ с кремниевой БИС считывания. На рис. 1 представлена конструкция кристалла МФЧЭ.

 

Рис.1. Конструкция кристалла МФЧЭ на основе InSb: 1 – просветляющее покрытие (4000 нм); 2 –Si-подложка; 3 –криоклей; 4 – анодный окисел+просветляющее покрытие; 5 – базовая область n-InSb толщиной 15-20 мкм и n~(0.1-2)•1015 см-3; 6 – пассивирующий слой SiO+анодный окисел; 7 – подслой Cr (40-60 нм)- 80-100 Au; 8 – подслой Ni (~800 нм); In – индиевый микростолбик

 

Кремниевая БИС считывания (рис.2) разработана по КМОП технологии с нормой проектирования не более 0,8 мкм [4].

БИС обладает необходимыми функциональными возможностями, обеспечивающими:

- режим работы, в котором осуществляется параллельное считывание (на 4/8 выходов) всего кадра форматом 320х240 элементов с высокой чувствительностью и кадровой частотой не менее 200 Гц;

- режим считывания нескольких строк с высокой частотой опроса
не менее 8000 Гц;

- режим «окна» прямоугольной формы, размеры которого задаются извне
с кратностью по сторонам 8 пикселей («окно» располагается в требуемом месте поля матрицы).

 

 

 

 

Рис.2. Кремниевая БИС считывания

 

Матричный фотоприемник формируется гибридизацией МФЧЭ с кремниевой БИС считывания при помощи индиевых микростолбиков (рис.3), получаемых с использованием операций «сухого» травления.

 

 

Рис.3 Индиевые микростолбики

Далее матричный фотоприемник с датчиками температуры с помощью клеевого соединения размещается на растре контактном (рис.4), который, в свою очередь, является охлаждаемым элементов криостата.

 

Рис.4 Размещение матричного фотоприемника на растре контактном криостата

 

МАТРИЧНЫЕ И СУБМАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ КАДМИЙ-РТУТЬ-ТУЛЛУР

Основным материалом для создания быстродействующих фотоприемников спектрального диапазона (8-14) мкм с предельными характеристиками чувствительности является твердый раствор теллуридов кадмия и ртути CdXHg1-XTe (КРТ).

Постоянно прогрессируя, производство КРТ развивалось от метода выращивания объемных кристаллов из расплава при высокой температуре к методам низкотемпературной эпитаксии. Эпитаксиальные методы являются наиболее пригодными для выращивания слоев КРТ большой площади и, соответственно, для создания матричных фотоприемников. Основными методами их получения являются жидкофазная (ЖФЭ) и молекулярно-лучевая (МЛЭ) эпитаксия.

В ИФП СО РАН создано отечественное оборудование и разработана промышленно-ориентированная технология молекулярно-лучевой эпитаксии слоев КРТ - базового стратегического материала современной ИК техники для спектрального диапазона 8-14 мкм (ТУ 1778-003-03533808-2003).

При разработке субматричных и матричных фотоприемных модулей диапазона (8-10,5) мкм были использованы следующие фотоприемники.

 

Фотоприемник линейчатый (субматричный)

Гибридная сборка на индиевых микростолбах фотодиодов из гетеро-эпитаксиальных структур КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (ГЭС КРТ МЛЭ), и кремниевой БИС (мультиплексора). Является охлаждаемой фотоприемной линейкой форматом 288×4 элементов - аналог ФПУ «ID TL015-XX-V3» фирмы"Sofradir". Сборка разработана в ИФП СО РАН (ФП2 КНГУ.927.00.00 ТУ) [6].

         Конструкция линейки фотодиодов представлена на рис.5.

 

Рис.5 Конструкция линейки фотодиодов ФП2

         На рис.6 приведена топология расположения фотодиодов в фотоприемной плоскости.

 

Рис.6 Топология фотодиодов в фотоприемной плоскости

 

Разработанный кремниевая БИС (мультиплексор) под шифром МКМ3 для ФП2 формата 288x4 имеет схему и конструкцию, особенностями которой являются: полностью цифровое управление с помощью параллельного и последовательного портов, деселекция любой дефектной ячейки и реализация функции двунаправленного сканирования.

         Гибридизация линейки фотодиодов с мультиплексором осуществляется при помощи индиевых микростолбиков (рис.7).

Рис.7 Конструкция гибридной сборки ФП2 КНГУ.927.00.00 ТУ

 

Фотоприемник матричный

В ИФП СО РАН разработан и изготовлен охлаждаемый матричный КРТ-фотоприемник ФП2М КНГУ.928.00.00 ТУ формата 320×256 элементов с размерами пикселей 30×30 мкм, имеющий длинноволновую границу спектральной чувствительности 10,5 мкм [7].

         На рис.8 представлена конструкция гибридной сборкифотоприемника ФП2М, а на рис.9 – формат фоточувствительного поля приемника.

 

Рис.8 Конструкция гибридной сборкифотоприемника ФП2М

 

Рис.9 Формат фоточувствительного поля ФП2М

 

Конструктивная схема матричного фотоприемника в вакуумном криостате

Вакуумный криостатируемый корпус (ВКК) представляет собой конструкцию, состоящую из держателя, с закрепленным на нем термодатчиком, корпуса с газопоглотителем (геттером) и крышки с входным окном [1].

Держатель ВКК одновременно является гильзой вытеснителя газовой криогенной машины (ГКМ), входящей в состав МКС. На торце гильзы-держателя закреплен керамический наконечник (растр контактный), который является посадочным местом для блоков фоточувствительных элементов и других охлаждаемых элементов конструкции. Термодатчик используется для управления работой ГКМ.

 

   

      На рис.10 представлена компоновка фотоприемника в составе ВКК.

Контактные площадки наконечника соединены с контактными площадками металлокерамического цоколя проводниками (диаметром 0,03 мм) из сплава платина (80 %) –иридий (20 %), обеспечивающим оптимальное соотношение теплопроводности и электрического сопротивления.

Вакуумная откачка криостата производится через медный штенгель, впаянный «твердой» высокотемпературной пайкой (припой ПСР-72). После откачки штенгель перекусывается специальными кусачками, обеспечивающими холодную (диффузионную) сварку стенок штенгеля, в результате которой осуществляется герметизация вакуумного объема ВКК.

Поддержание и восстановление необходимого вакуума полости ВКК обеспечивается периодической активацией газопоглотителей (геттеров), расположенных на внутренней стенке ВКК.

 

Рис.10 Компоновка фотоприемника в составе ВКК

На рис.11 представлена фотография матричного фотоприемника, собранного в составе ВКК.

 

Рис.11 фотография матричного фотоприемника,
расположенного в вакуумном криостате

 

МИКРОКРИОГЕННАЯ СИСТЕМА (МКС) ОХЛАЖДЕНИЯ

С целью решения задачи полного импортозамещения фотоприемных устройств, предназначенных для размещения в тепловизионной аппаратуре различного назначения, в 2011-2013 гг.  ОАО «Швабе-Фотосистемы» » проведена ОКР «Разработка микрокриогенной системы охлаждения интегрального типа, работающей по циклу Стирлинга», шифр «Сапфир–МКС» (ЖИАЮ.702411.001 ТУ) [5].

Целью ОКР являлась разработка моноблочной микрокриогенной системы охлаждения (МКС) интегрального типа с газовой криогенной машиной, работающей по циклу Стирлинга, предназначенной для обеспечения рабочей температуры фоточувствительных элементов (78±2) К. Интегральная стыковка МКС
с криостатами позволила получить заметный выигрыш в энергетических и габаритно-весовых характеристиках разрабатываемых систем.

На рис.12 и рис.13 представлены фотографии основных узлов разработанной МКС, а на рис.14 – фотография внешнего вида МКС.

 

Рис.12 Компрессорный блок МКС

 

 

Рис.13 Блок статора МКС

Рис.14 Внешний вид МКС

Основные параметры МКС представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 Основные параметры МКС

Наименование параметра

Значения параметра

Температура криостатирования

(78±2) К

Суммарная тепловая нагрузка при температуре окружающей среды +55 °С.

 

не более 0,5 Вт

Диапазон рабочих температур внешней среды

от - 4055 °С до +55 °С

Напряжение электропитания

24 (±2) В

Потребляемая мощность:

- в период выхода на рабочий режим;

- в установившемся режиме

 

не более 18 Вт

не более 11 Вт

Масса МКС

не более 0,5 кг

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЕЙ

ФУК 149М и ФУК 154М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х240 и 320х256 элементов диапазона (3…5) мкм.

         Фотографии модулей представлены на рис.15 и рис.16, основные параметры – в таблице 2.

 

 

Рис.15 Фотоприемный модуль ФУК 149М

 

Рис.16 Фотоприемный модуль ФУК 154М

Таблица 2 Основные параметры модулей

Наименование параметра

Значения параметра

ФУК 149М

ФУК 154М

Материал ФЧЭ

InSb

Число ФЧЭ (общее)

320х240

320x256

Размер ФЧЭ, мкм

30x30

Плоский угол зрения ФЧЭ, углов. град.

32

Область спектральной чувствительности, мкм

3,0-5,0

3,5-5,0

Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм

 

4,5

Вольтовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, В·Вт-1

 

1,0∙108

Значение пороговой мощности, Вт/элемент

5,0∙10-13

Динамический диапазон выходного сигнала, дБ, не менее

60

Номинальное значение частоты выходного сигнала, МГц

4

Рабочая температура, К

78±2

Система охлаждения:

- МКС «МСМГ- 0,6А-0,4/80» в модуле ФУК 149М;

- МКС типа «Ricor K508» или «Сапфир – МКС» в модуле ФУК 154М

 

ФУК 148М и ФУК 152М – унифицированные субматричные фотоприемные модули форматом 4х288 элементов диапазона (8…10,5) мкм, работающие в двухпроходном режиме временной задержки и накопления.

         Фотографии модулей представлены на рис.17 и рис.18, основные параметры – в таблице 3.

 

Рис.17 Фотоприемный модуль ФУК 148М

 

 

Рис.18 Фотоприемный модуль ФУК 152М

 

Таблица 2 Основные параметры модулей ФУК 148М и ФУК 152М

Наименование параметра

Значения параметра

Материал ФЧЭ

ГЭС КРТ МЛЭ

ТУ 1778-003-03533808-2003

Число ФЧЭ (общее)

4x288

Размер ФЧЭ, мкм

25x28

Шаг ФЧЭ вдоль линейки, мкм

56

Плоский угол зрения ФЧЭ, углов. град.

32

Область спектральной чувствительности, мкм

7,7-10,5

Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм

 

9,5

Вольтовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, В Вт-1

 

1,0∙107

Удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной чувствительности, см∙Гц½ ∙Вт-1

 

1,3 1011

Динамический диапазон выходного сигнала, дБ, не менее

 

70

Номинальное значение частоты выходного сигнала, МГц

 

4

Рабочая температура, К

78±2

Система охлаждения:

- МКС типа «МСМГ 3В-1/80 КВО.0733.000.03» в модуле ФУК 148М;

- МКС типа «Ricor K508» или «Сапфир – МКС» в модуле ФУК 152М

 

ФУК 143М и ФУК 151М – унифицированные матричные фотоприемные модули форматом 320х256 элементов диапазона (8…10,5) мкм.

         Фотографии модулей представлены на рис.19 и рис.20, основные параметры – в таблице 4.

 

 

 

Рис.19 Фотоприемный модуль ФУК 143М

 

Рис.20 Фотоприемный модуль ФУК 151М

 

Таблица 2 Основные параметры модулей ФУК 148М и ФУК 152М

Наименование параметра

Значения параметра

Материал ФЧЭ

ГЭС КРТ МЛЭ

ТУ 1778-003-03533808-2003

Число ФЧЭ (общее)

320x256

Размер ФЧЭ, мкм

30x30

Плоский угол зрения ФЧЭ, углов. град.

32

Область спектральной чувствительности, мкм

7,7-10,5

Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм

9,5

Вольтовая чувствительность в максимуме спектральной чувствительности, В Вт-1

 

1,0∙107

Значение пороговой облученности, Вт∙см-2

2,0∙10-7

Динамический диапазон выходного сигнала, дБ, не менее

 

70

Номинальное значение частоты выходного сигнала, МГц

 

4

Рабочая температура, К

78±2

Система охлаждения:

- МКС типа «МСМГ 3В-1/80 КВО.0733.000.03» в модуле ФУК 143М;

- МКС типа «Ricor K508» или «Сапфир – МКС» в модуле ФУК 151М

 

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ МОДУЛЕЙ

Измерения фотоэлектрических параметров фотоприемных модулей выполняются с использованием унифицированного измерительного стенда, состав и внешний вид которого представлены на рис.21.

         Было разработано специализированное программное обеспечение (СПО), позволяющее производить автоматизированную процедуру измерения фотоэлектрических параметров фотоприемных модулей и регистрацию результатов измерений в электронной базе данных. Интерфейсы СПО для субматричных и матричных фотоприемных модулей в среде операционной системы «Windows» представлены на рис.22 и рис.23.

Рис.21 Стенд измерения фотоэлектрических параметров модулей

Рис.22 Интерфейс специализированного программного обеспечения

(субматричный фотоприемник)

Рис.23 Интерфейс специализированного программного обеспечения
(матричный фотоприемник)

 

ПРОВОДИМАЯ РАЗРАБОТКА

С 2013 г. ОАО «Швабе-Фотосистемы»  проводит ОКР «Апекс»: «Разработка промышленной технологии изготовления крупноформатных (формат 640х512 элементов) матричных фотоприемных устройств на основе антимонида индия».

Цель работы - создание промышленной технологии изготовления матричных фотоприемных устройств (МФПУ) формата 640х512 элементов, включающей технологию изготовления фоточувствительных матриц на основе антимонида индия с шагом расположения элементов не более 20 мкм.

 

 

В ходе выполнения работы должны быть проведены:

- разработка базовой технологии изготовления крупноформатных охлаждаемых матричных фоточувствительных элементов с малым размером пикселя;

- разработка технологии изготовления крупноформатных охлаждаемых мультиплексоров с топологической нормой проектирования менее 1 мкм;

- разработка методов, средств измерений и испытаний крупноформатных матричных фотоприемных устройств на основе антимонида индия;

- оснащение рабочих участков оснасткой и специализированным оборудованием, обеспечивающим необходимые технологические нормы, производительность и качество изделий.