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.