Статья: СЕРНИСТО-СВИНЦОВЫЙ 256-ЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОМОДУЛЬ (1999)

Дано описание принципа действия твердотельного преобразователя изображения (ТПИ), а также прибора ночного видения на основе этого преобразователя. Предложены схема прибора и его принцип действия, характеристики и результаты экспериментов. Показаны перспективы повышения чувствительности твердотельных преобразователей изображения на базе структуры МДП–жидкий кристалл.

Дано описание активно-импульсного телевизионного (ТВ) переносного прибора наблюдения, обеспечивающего дистанционную передачу изображения с помощью малогабаритного радиопередатчика на дальность до 200 м. Прибор обеспечивает дальность опознавания автомашины до 2000 м при точности измерения дальности ±10 м.

Кратко изложено современное состояние развития приборов ночного видения и тепловизионных приборов, показаны пути и концепции дальнейшего развития этих видов техники, перечислены важнейшие ведущиеся разработки новых видов ночной техники на базе новейших достижений в разработке и создании электронно- оптических преобразователей (ЭОП) и фотоприемных устройств (ФПУ). Дан сравнительный анализ оснащения приборами ночного видения и тепловизионными приборами российской и зарубежных армий.

Рассмотрены основные тенденции современного развития ЭОП, основными из которых являются существенное повышение уровня параметров зарубежных ЭОП 3-го поколения, включая создание ЭОП с продленной в ближнюю ИК-область чувствительностью, развитие ЭОП 2+ - поколения и создание их модификаций суперпоколения, а также расширение возможностей ЭОП за счет электронной и компьютерной обработки получаемого изображения в приборах с “развязанным” дисплеем (4-е поколение). В качестве примера последних описана разработанная в “НПО “Орион” совместно с “Орэкс” дневно-ночная цветная стереотелевизионная система наблюдения.

Развитие промышленности фотоприемных устройств потребовало, чтобы оптические покрытия, как и другие комплектующие узлы, удовлетворяли жестким технологическим (на этапах сборки фотоприемника) и эксплуатационным требованиям. В статье приведены основные этапы создания таких покрытий для областей спектра 3—5 и 8–14 мкм на основе процессов термо- и ионного осаждения.

Приведены результаты научно-исследовательской работы по разработке фотоприемного устройства, состоящего из фотоприемника на основе матрицы из PbSe форматом 8х8 и термоэлектрического охладителя, и устройства обработки и управления. Показана возможность реализации по- рогового потока 6,32·10-8 Вт/эл при частоте модуляции 1200 Гц, полосе пропускания сигнала 150 Гц, температуре слоя 22 °C.

Ведутся работы по созданию многоканальных фотоприемных устройств, работающих в области спектра 3-5 мкм, выполненных на основе высокочувствительных охлаждаемых гибридных фотомодулей (ФМ), состоящих из многоэлементного фоточувствительного элемента (ФЧЭ), мультиплексоров и устройств охлаждения (например, ТЭО). Применение таких ФМ позволит улучшить массогабаритные показатели оптика-электронной аппаратуры, уменьшить потребляемую мощность, снизить стоимость и трудоемкость изготовления ФПУ. Коммутация сигналов в ФМ осуществляется при помощи бескорпусных БИС мультиплексоров с предусилителями на входах. Для достижения предельных пороговых характеристик таких фотомодулей параметры ФЧЭ и мультиплексоров должны быть взаимно согласованы. Рассмотрены вопросы разработки и исследования мультиплексоров с целью их оптимального сопряжения с фоторезистором из PbSe, определены требования к параметрам фоторезистора и характеристики мультиплексора, обеспечивающего реализацию обнаружительной способности фотомодуля.

Разработан новый вид клея-герметика на основе силоксануретановых блоксополимеров для герметизации и сборки фотоприемников на основе халькогенидов свинца. Герметик отличается от известных полимерных клеев- герметиков, применяемых в технологии изготовления названных фотоприемников, повышенной эластичностью и экологической чистотой при сохранении адгезионной прочности, оптической прозрачности и способности к стабилизации фотоэлектрических параметров герметизируемых фоточувствительных структур.

Приведены результаты исследования химических слоев селенистого свинца, осажденных на подложках из фотостекла с селективными интерференционными дихроичными зеркалами, увеличивающими фотоактивное поглощение в области спектра 4 мкм и более. Интегральные D* и Su при этом обладают повышенными значениями по сравнению с фотослоями, изготовленными традиционными способами

Приведены результаты разработок фотоприемников на основе сульфида и селенида свинца в ГУП «НПО“ Орион“», характеризующие возможности предприятия по созданию различных образцов изделий и фотоэлектрические параметры последних.

Разработано неохлаждаемое двухканальное фотоприемное устройство с кремниевым фотодиодом и пленочным фоторезистором из сульфида свинца. Фотодиодный канал снабжен усилителем 744УД1А-1 и обладает порогом чувствительности не выше 1,5·10-10 Вт/Гц-1/2 по источнику А (Т = 2850°С). Удельный порог ФР не превышает 1,3·10-9 Вт/см/Гц1/2 по черному телу с температурой 300°С. ФПУ характеризуется высокой точностью соосности фотодиода, фоторезистора и иммерсионной линзы относительно посадочного диаметра устройства.

На основе представлений о формировании фоточувствительных пленок сернистого свинца при осаждении из раствора рассмотрены возможности целенаправленного изменения характеристик пленок. Показано, что, изменяя условия процесса осаждения, можно модифицировать параметры пленок (спектральный фотоответ, постоянную времени, темновое сопротивление) при сохранении высокого уровня обнаружительной способности.

Выбор материала чувствительного элемента неохлаждаемой микроболометрический матрицы в значительной степени определяет ее предельные параметры. В статье представлены результаты исследований сэндвичных и плоскостных болометрических структур на основе пленок аSi: Н и VO2, соответственно. Пленки аSi: Н изготовлены методом плазмохимического газофазного осаждения, пленки VO2 методом реактивного магнетронного ионно-плазменного распыления. Сэндвичные структуры при площади 100х100 мкм имеют сопротивление ~20 кОм и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) >2 %/К при 25°С. Плоскостные структуры с рабочим участком 100х70 мкм при том же сопротивлении имеют ТКС 2,9 %/К. Найдены способы снижения контактного шума тех и других структур. Сэндвичи, построенные в виде оптических резонаторов, поглощают 80 % излучения на длине волны 8 мкм. Показано, что может быть достигнуто поглощение плоскостных структур 50—80 % в полосе 8,5—10 мкм.

Приведены результаты экспериментального исследования влияния величины сопротивления поверхностного канала на электрические и фотоэлектрические характеристики p-i-n-фотодиодов большой площади с охранным кольцом, изготовленных на кремнии p-типа проводимости с удельным сопротивлением r ~ 20 кОм·см. Проведен анализ зависимостей темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, а также чувствительности, коэффициента фотоэлектрической взаимосвязи и ватт-амперных характеристик приборов от сопротивления канала для широкого интервала его значений. Определены оптимальная величина сопротивления канала для p-i-n-фотодиодов и требования к его значению на различных участках топологического рисунка поверхности при необходимости улучшения характеристик приборов.

Представлены результаты исследований, позволившие определить пути усовершенствования базовой топологии и технологии изготовления фотодиодов на кристаллах InSb. Введение этих усовершенствований снижает уровень темновых токов фотодиодов до значений < 3·10-11 А, соответствующих требованию к низкофоновым фотоприемникам спектрального диапазона 3–6 мкм, работающих в BLIR-режиме.

В развитие РТМ 3-1950-91 с целью повышения качества ФП и ФПУ разработаны новые крио- и химстойкие клеи ФХ-5Р и “Орион-2” для крепления КРТ к подложке. Вакуумно-плотный клей ХСК-Н обеспечивает надежное соединение входных окон и элементов держателя. Использована виброгасящая композиция “Орион-65” для монтажа многослойных печатных плат.

Дано описание конструкции и характеристики вакуумных фоторезисторов из CdHdTe для спектрального диапазона 8-12 мкм, охлаждаемых с помощью дроссельных микротеплообменников и газовых криогенных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга.

Изложены результаты разработки и исследований основных характеристик одноэлементных фотодиодов из соединений ртуть - кадмий - теллур (КРТ), в том числе в гетеродинном режиме с быстродействием до 1 ГГц, на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм. Изложены особенности топологии и технологии матричных фотоприемников форматов 32х32, 128х128, 384х288, 4х16, 4х48, 2х96, 4х128, 2х256 на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм, изготовленных как на объемных монокристаллах, так и эпитаксиальных слоях, выращенных различными технологическими методами. Проанализированы проблемы временной и температрурной стабильности фотодиодов из КРТ и возможные пути совершенствования параметров МФП.

Проведены исследования зависимости состава собственного окисла, выращенного на поверхности монокристаллов CdхHg1-хTe, от ориентации поверхностей кристаллов. Выполненный методом ЭСХА послойный анализ состава анодного окисла показал, что для плоскостей (111) и (100) состав окисла плавно изменяется от подложки к поверхности окисного слоя. В окисле же на поверхности (110) обнаружена прослойка неокисленного теллура. В работе обсуждается связь обнаруженных эффектов с физико-химическими свойствами поверхностей кристалла.

Изготовлен и исследован макет бессканерного тепловизора формата 128х128 на спектральный диапазон 8-12 мкм. Тепловизор состоит из матрицы фоточувствительных элементов на основе фотодиодов из КРТ, состыкованной на индиевых столбиках с охлаждаемым МОП-мультиплексором, микрокриогенной системы Сплит-Стирлинга и электронного блока обработки изображения. Эквивалентная шуму разница температур тепловизора не превышает 0,1 К.

Экспериментально исследован метод восстановления функции распределения чувствительности по фотоприемнику по экспериментально измеренной зависимости сигнала от перемещения и известной функции распределения освещенности оптического зонда.

Разработаны фотоприемники на основе широкозонных полупроводниковых материалов GaP, GaAs и их тройного соединения GaPхAs1-х. Для создания фотоприемников использован барьер Шоттки с полупрозрачным металлическим слоем. В качестве исходного материала использованы эпитаксиальные структуры n-n+-n типа с нелегированным n-слоем. Приведены основные параметры фотоприемников.

Обсуждаются схемы двумерных спектрометров, использующие абсорбцию света, явление нарушения полного внутреннего отражения и механизмы управления спектральной чувствительностью фотоприемников. Подобно тому, как это производится в интерференционных спектрометрах, спектр анализируемого излучения в рассматриваемых приборах получается в результате обработки сигнала на их выходе средствами вычислительной техники.

Разработан неохлаждаемый вариант высокочувствительного лазерно-спектроскопического газоанализатора. Для регистрации газов используются аналитические линии на основе составных частот. Применены фотоприемники и лазерные диоды ближнего ИК-диапазона в районе 1,7 мкм. Наиболее перспективным является использование прибора в медицине (ранняя диагностика заболеваний внутренних органов).

Рассмотрена физика работы новой смотрящей ИК гибридной матрицы на основе HgCdTe р-n-переходов. Проанализированы предельные пороговые характеристики таких матриц на спектральные диапазоны 3 - 5 и 8 - 14 мкм. Архитектура рассматриваемых матриц намного проще чем у существующих: накопительные емкости занимают всю площадь под фоточувствительной ячейкой, а в качестве элементов коммутации используются сами фоточувствительные р-n-переходы. Накопительные емкости могут быть изготовлены на основе диэлектриков с относительно высокой диэлектрической проницаемостью (типа TiO2 и интегрированных сегнетоэлектриков). В отличие от фото-ПЗС и -ПЗИ, в рассматриваемой матрице не используется перенос заряда между пространственно разнесенными электродами. Определены параметры фоточувствительных и накопительных элементов, при которых реализуются наибольшие времена накопления и пороговые характеристики, близкие к теоретическому пределу. Показано, что в принципе рассматриваемая матрица обладает уникальными параметрами и в ней могут быть подавлены шумы усилителя типа 1/f. Так, матрицы, площадь фоточувствительного р-n-перехода которых составляет 20х20 мкм2, могут работать в BLIP-режиме и иметь время накопления фотосигнала и формат, равные постоянной времени человеческого глаза и 1024х1024 элементов для диапазона 3 - 5 мкм и, соответственно, 300 мкс и 256х256 элементов для диапазона 8–10 мкм при температуре фона 300 К.