Гибридная фоточувствительная схема

 

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоэлементных фотоприемников. Техническим результатом повышение пороговой чувствительности гибридной фоточувствительной схемы (ГФС) в условиях повышенной фоновой облученности. Матричный фотоприемник (МФП) в ГФС имеет X-Y-адресацию, при этом каждый столбец МФП электрически связан с соответствующим каналом линейного мультиплексора, обеспечивающего возможность накопления сигнальных зарядов, кроме того в МФП между структурой с квантовыми ямами (СКЯ) и нижним проводящим слоем, имеющими одинаковый тип проводимости, размещен дополнительный слой, имеющий противоположный тип проводимости, электрически разделенный на плоскости, являющиеся непрерывными в пределах каждой строки и электрически соединенные с соответствующими каналами коммутатора строк. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоэлементных фотоприемников.

В настоящее время имеется значительное число сообщений о создании ИК-фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами (СКЯ), в том числе многоэлементных-линейных и матричных (см. например, обзор "Quantum-well infrared photodetectors" B.F. Levine, J.Appl. Phys, 74(8), 15 October, 1993).

Обычно матричные фотоприемники на основе СКЯ конструктивно представляют собой гибридную фоточувствительную схему (ГФС), в которой собственно фотоприемная матрица электрически связана с матричным кремниевым мультиплексором посредством индиевых столбиков (flip-chip-сборка). Недостатком такой конструкции является ограниченность емкости накопительных ячеек в матричном мультиплексоре площадью чувствительного элемента, что ограничивает применение такой ГФС задачами, в которых фоновая облученность относительно мала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ГФС, описанная в работе "Long-wavelength 128x128 GaAs quantum well infarared photodetector arrays"-B. F. Levine et.al., Semicjnd,. Soi. Technol. 1991, v6. C 114-C119. ГСФ состоит из матричного фотоприемника на основе DaAs/AlGaAs СКЯ форматом 128х128 элементов, электрически связанного посредством индиевых столбиков с матричным кремниевым мультиплексором. Ограниченность емкости накопительной ячейки в мультиплексоре приводит к тому, что ГФС работает при частоте кадров свыше 100 Гц даже при относительно невысокой фоновой облученности (около 10^-5Вт/см²). В результате считывание сигналов происходит с частотой свыше 1 МГц, что увеличивает собственный шум мультиплексора. Преодоление указанной проблемы возможно за счет увеличения абсолютного значения заряда, состоящего из суммы сигнального и фонового зарядов, в накопительной емкости мультиплексора. С одной стороны, это позволит повысить отношение сигнал/шум, реализуемое непосредственно в ячейке С другой стороны, оно не будет ухудшено, если шум фонового заряда будет значительно превышать шумы мультиплексора, что опять же тем легче обеспечить, чем больше абсолютная величина заряда.

Технической задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является повышение пороговой чувствительности ГФС в условиях повышенной фоновой облученности.

Указанная задача решается посредством того, что матричный фотоприемник имеет X-Y-адресацию, а в состав микросхем выделения сигналов входит линейный мультиплексор, предназначенный для накопления и считывания сигналов с матричного фотоприемника, каждый столбец которого электрически связан с соответствующим каналом линейного мультиплексора, и коммутатор строк, предназначенный для поочередной подачи напряжения на строки матричного фотоприемника, между структурой с квантовыми ямами и нижним проводящим слоем размещен дополнительный слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости структуры с квантовыми ямами и нижнего проводящего слоя, при этом дополнительный слой разделен на полоски, непрерывные в пределах каждой строки и электрически соединенные с соответствующими каналами коммутатора строк.

Использование в предлагаемой ГФС МФП с X-Y-адресацией, а также линейных микросхем выделения сигналов-коммутатора строк и мультиплексора (в отличие от матричного коммутатора в прототипе), - позволяет сделать независимой величину накопительной емкости мультиплексора от размеров фоточувствительной ячейки МФП. Действительно, в линейном мультиплексоре геометрические размеры накопительной ячейки ограничены только по одной координате шагом МФП. По другой же координате размер ячейки, а значит и ее емкость могут изменяться в широких пределах. В предложенной конструкции опрос МФП должен осуществляться построчно. Для реализации такого режима использована конструкция МФП с X-Y-адресацией. Принципиальным отличием предложенного устройства является наличие дополнительного слоя, расположенного между СКЯ и нижним проводящим слоем, и образующего с ними p-n- переходы. По существу указанный слой является базой биполярного транзистора, коллектором и эмиттером которого являются СКЯ и нижний проводящий слой соответственно. Такой транзистор изолирует чувствительные элементы матрицы друг от друга и от нижнего проводящего слоя (т. е. от источника питания), когда на базу подан нулевой или запирающий потенциал, и подключает их к источнику питания, когда на базу подается отпирающее напряжение. Таким образом, каждый чувствительный элемент МФП содержит встроенный ключ, который отсутствует у известных аналогов. Непрерывность полосок, на которые разделен дополнительный слой, в пределах каждой сроки позволяет одновременно коммутировать все элементы данной строки при подаче на данную полоску отпирающего потенциала от соответствующего канала коммутатора строк. Разделение слоя на полоски позволяет осуществлять независимую коммутацию строк. Как следует из вышеизложенного, в предлагаемой ГФС в целях реакции положительного эффекта используется режим строчного накопления и используется в основном в условиях высокой фоновой облученности. Однако в ней же может быть реализован и режим кадрового накопления (на емкости СКЯ), когда величина фоновой облученности достаточно низка. Таким образом, в предложенной ГФС сохраняются и функции прототипа.

На основании изложенного можно утверждать, что отличия предложенного устройства от аналогов являются существенными, поскольку в указанном сочетании они обеспечивают положительный эффект - повышение пороговой чувствительности в условиях фоновой облученности.

Данное техническое решение обладает изобретательским уровнем, т.к. элементы новизны не являются очевидными для специалистов. В частности, введение дополнительного слоя в МФП на основе СКЯ до настоящего времени не применялось. Изготовление МФП в виде матрицы с X-Y-адресацией, опрос ее с помощью коммутатора строк и линейного мультиплексора, обеспечивающего накопление сигнальных зарядов, а также реализация встроенного в чувствительный элемент ключа посредством введения дополнительного слоя в совокупности обеспечивают достижение положительного эффекта. Последний признак обеспечивает также сохранение в данном устройстве и функций прототипа - режима кадрового накопления. Указанное сочетание отличительных признаков является новым и дающим положительный эффект.

На фиг. 1 изображена функциональная схема ГФС. Строки ФПМ 1 электрически связаны с коммутатором строк 2, осуществляющего поочередное подключение их к источнику питания, обеспечивающего подачу отпирающего смещения на базы ключевых транзисторов. Столбцы матрицы электрически связаны с входами линейного мультиплексора 3, осуществляющего накопление и вынос сигналов. На фиг. 2 изображены электрическая схема и конструкция отдельного чувствительного элемента. На подложке 4 расположены последовательно нижний проводящий слой 5, дополнительный слой 6 и СКЯ 7. Слой 6 имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости слоя 5 и СКЯ 7. Слой 6 разделен на полоски, которые непрерывны в пределах одной строки МФП. Иначе говоря, каждая строка МФП представляет собой многоколлекторный биполярный транзистор, в котором база в виде полоски дополнительного слоя является непрерывной в пределах данной строки, а коллектор разделен на элементы, являющиеся чувствительными элементами МФП.

Устройство работает следующим образом. При подаче отпирающего напряжения на базу (слой 6) данной строки между эмиттером (слой 5) и коллектором (СКЯ 7) потечет ток, величина которого будет определяться сопротивлением СКЯ, т. е. облученностью и рабочей температурой. Этот ток регистрируется в аналоговом мультиплексоре 3 фиг. 1 в течение времени коммутации строки. После отключения базы от источника питания чувствительные элементы данной строки оказываются изолированными друг от друга и от эмиттера. В течение времени коммутации строки сигнальные заряды от предыдущей строки выводятся из мультиплексора на устройства последующей обработки сигналов. Данная строка снова будет подключена к источнику отпирающего напряжения после опроса остальных строк матрицы, т.е. через время кадра. Величина зарядов, прошедших при этом через чувствительные элементы и зарегистрированных в соответствующих емкостях мультиплексора 3, будет пропорциональна облученности чувствительных элементов при фиксированном времени кадра. Описанный режим работы называется режимом строчного накопления, поскольку сигнальный заряд копится только в течение времени коммутации строки. Однако, как отмечалось выше, в такой ГФС может быть реализован и режим кадрового накопления. Такой режим в чистом виде может быть осуществлен, когда постоянная времени RC-цепочки, образованной сопротивлением СКЯ и ее контактами, будут больше времени кадра. В этом случае при подаче отпирающего напряжения на базу через RC-цепочку потечет ток, заряжающий емкость до напряжения питания. Этот ток регистрируется в мультиплексоре в виде заряда. После отключения данной строки емкости ее чувствительных элементов будут разряжаться через внутренние сопротивления элементов, величины которых будут обратно пропорциональны облученности. Через время кадра данная строка будет снова подключена к источнику питания, и величины зарядов, на которые разрядились емкости элементов данной строки, будут зарегистрированы в мультиплексоре при протекании через них токов дозарядки. Таким образом, регистрация (накопление) сигналов будет происходить в течение всего времени кадра. В случае, когда RC несколько меньше времени кадра, может быть реализован промежуточный режим, при котором накопление частично будет происходить на собственной емкости чувствительных элементов (в течение времени порядка RC), и частично в емкости мультиплексора (в течение времени коммутации строки).

Фотоприемная секция описанного устройства может быть реализована на основе GaAs/AlGaAs СКЯ. На полуизолирующей или проводящей подложке GaAs методом МОС-гидридной или молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается нижний проводящий слой n-типа, затем выращивается дополнительный слой p-типа проводимости и далее выращивается СКЯ (n-типа проводимости), содержащая около 50 пар барьеров и ям, параметры которых подбираются таким образом, чтобы обеспечить требуемые фотоэлектрические характеристики. Структура заканчивается верхним контактным слоем (n-типа). Фоточувствительные элементы формируются посредством травления СКЯ до слоя p-типа (базы). Строки формируются посредством вытравливания шин в p-слое до нижнего контактного слоя. Столбцовые шины формируются посредством металлических полосок, электрически соединенных с соответствующими чувствительными элементами через контактный слой на их поверхностях. Микросхемы обработки и выделения сигналов ГФC могут быть изготовлены на основе стандартных технологий, применяемых при создании кремниевых микросхем. Коммутатор строк может быть изготовлен в виде сдвигового регистра по КМОП технологии. Мультиплексор может быть изготовлен в виде ПЗС-коммутатора или многоканального усилителя, при этом в обоих случаях в каждом канале должна быть емкость, осуществляющая накопление сигнального заряда, величина которой будет определяться конкретным назначением ГФС. Сборка ГФС осуществляется посредством ультразвуковой или термокомпрессионной сварки.

Следует подчеркнуть, что для создания ГФС практически на всех этапах могут быть использованы стандартные технологические процессы, что говорит о возможности ее промышленного выпуска.

Использование описанного устройства в медицинский и промышленных инфракрасных системах позволит повысить эффективность их применения, благодаря повышению пороговой чувствительности в условиях сильной фоновой облученности.

Промышленный выпуск ГФС, возможность которого отмечалась выше, позволит снизить ее стоимость по сравнению с аналогами на основе HgCdTe в несколько раз.

Формула изобретения

Гибридная фоточувствительная схема, включающая матричный фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами, выращенной на полуизолирующей подложке и отделенной от нее нижним проводящим слоем, имеющим тот же тип проводимости, что и структура с квантовыми ямами, а также микросхемы выделения сигналов, электрически связанные с матричным фотоприемником, отличающаяся тем, что матричный фотоприемник имеет X - Y-адресацию, а в состав микросхем выделения сигналов входят линейный мультиплексор, предназначенный для накопления и считывания сигналов с матричного фотоприемника, каждый столбец которого электрически связан с соответствующим каналом линейного мультиплексора, и коммутатор строк, предназначенный для поочередной подачи напряжения на строки матричного фотоприемника, между структурой с квантовыми ямами и нижним проводящим слоем размещен дополнительный слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости структуры с квантовыми ямами и нижнего проводящего слоя, при этом дополнительный слой разделен на полоски, непрерывные в пределах каждой строки и электрически соединенные с соответствующим каналом коммутатора строк.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2