Переход к использованию кремниевых подложек при изготовлении крупноформатных КРТ-ФПУ (1536 х 1024 пикселов с размерами 15 мкм), работающих в ближнем и средневолновом ИК-диапазонах при температурах охлаждения Тохл=140…160 К, позволил при диафрагменном числе К=3,4 достичь режима ограничения фоном до лгр=3,7 мкм в ближнем ИК-поддиапазоне и до лгр=4,8 мкм в средневолновом ИК-поддиапазоне при Тохл=115 К.
Рис.3. Спектральные характеристики трехдиапазонного приемника при различных напряжениях смещения [35]
Сочетание фоточувствительного слоя из КРТ и кремниевой схемы накопления и считывания позволило компании QinetiQ Ltd. разработать ФПУ с ЭШРТ близкой к 10 мК при частоте кадров 2 кГц для широкого спектрального диапазона - 2,5…10,5 мкм.
Компания RVS (Raytheon Vision Systems) разработала ФПУ самого большого из известных сегодня форматов - 4096 х 4096 пикселов размером 20 мкм, работающее в ближнем (температура охлаждения Тохл=110 К) и средневолновом (Тохл= 80 К) ИК-диапазонах. Эти ФПУ были разработаны для ИК космических систем отражения ракетной угрозы (SBIRS).
Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям [2, 3, 36-38 и др.]
Матричные фотоприемники или ФПУ на базе квантоворазмерных ям (ФКЯ-ФПУ) имеют достаточно узкие спектральные характеристики в двух или более спектральных диапазонах. В них используются недорогие подложки (GaAs), у них низок процент дефектных пикселов. Отработанная технология и узкополосное поглощение (Дл/л=0,1…0,2) позволяют производить двух- и многодиапазонные ФКЯ-ФПУ с почти не перекрывающимися рабочими спектральными диапазонами.
Для увеличения поглощения падающего на приемник излучения в современных ФКЯ фоточувствительный слой соединен с резонатором или дифракционной решеткой. Наиболее часто используется резонатор Фабри-Перо. Однако изготовление этих резонаторов с малой шириной ямы и его соединение с фоточувствительным слоем, размещаемым между пластинами резонатора, заметно затрудняет изготовление многодиапазонных приемников. При этом также возникает необходимость иметь дополнительные технические операции для создания различных полос поглощения в одном и том же чувствительном слое.
Малая квантовая эффективность ФКЯ из-за невозможности приема нормально падающего на приемник излучения вынуждает иметь продолжительное время накопления зарядов для достижения хорошей ЭШРТ. Кроме того, для уменьшения темновых токов температура охлаждения ФКЯ должна быть меньше, чем у КРТ.
Известные достоинства ФПУ на базе структур с квантовыми ямами (ФПУ-СКЯ) послужили основанием для выбора этих устройств для обеспечения работы ряда ИКС в длинноволновом ИК-диапазоне. Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института продолжает разработки двухдиапазонных ФПУ-СКЯ. Сообщалось о первых испытаниях крупноформатного (1024х1024) ФПУ-СКЯ с размером пикселов 30 мкм, работающего одновременно в спектральных диапазонах 4,4…5,1 и 7,8…8,8 мкм при температуре 68 К. Такое мегапиксельное ФПУ имеет ЭШРТ порядка 27 и 40 мК в этих диапазонах, соответственно. В рабочих спектральных полосах предполагается обеспечить эквивалентную шуму облученность не менее 0,059 Вт/(м2·ср·мкм) и 0,049 Вт/(м2·ср·мкм), а ЭШРТ в обеих полосах - не менее 0,33 К (для температуры наземной сцены 300 К).
Предполагается использование объектива с диафрагменным числом К=1,64 и трех охлаждаемых до Т = 43 К ФПУ формата 640 х 512 с размером пикселов 25 мкм с допуском на стабильность Т в 0,01 К. Время накопления зарядов - 5 мс. Температура первого зеркала объектива принята равной 293 К с допуском на ее стабильность в 1 К, а фона, создаваемого в том числе и оптической системой - 180 К с допуском 0,1 К. Емкость ячеек схемы считывания должна быть не менее 5·106 электронов, а шум считывания менее 1000 электронов.
Матрицы на базе кванторазмерных ям выпускаются рядом компаний. Так, компании Thales и Sofradir производят матрицы форматов 384х288 и 640х512 с шагом пикселов 25 и 20 мкм соответственно.
Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) еще в 2005 г. представила двухдиапазонное ФКЯ-ФПУ формата 384 х 288 х 2 с размерами пикселов 40 мкм, работающее одновременно в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. При полном удалении подложки была заметно улучшена функция передачи модуляции, что обеспечило высокую разрешающую способность.
Рис.4 Спектральная характеристика чувствительности Sл четырехдиапазонного ФКЯ-ФПУ
Рис.5. Вольтовые характеристики токовой чувствительности SІ в максимумах спектральных характеристик отдельных спектральных диапазонов (для сохранения единого масштаба кривая чувствительности для Д1 умножена на 5).
В 2009 г. Лаборатория реактивного движения (JPL) Калифорнийского технологического института опубликовала статью, в которой подводятся итоги разработок крупноформатных ФПУ на базе соединений InGaAs/GaAs/AlGaAs, работающих в двух и четырех спектральных диапазонах [37]. Подробно описывается конструкция четырехдиапазонного ФПУ общего формата 640 х 512 пикселов с пространственно разделенными по отдельным столбцам спектральными каналами, каждый из которых имеет формат 640 х 128 пикселов [37]. Такая конструкция ФПУ позволяет вести прием и считывание сигналов в отдельных спектральных диапазонах одновременно, что увеличивает быстродействие ФПУ и позволяет использовать единую для всех диапазонов систему охлаждения.
Рис.6. Зависимости удельных обнаружительных способностей D* от температуры охлаждения для каждого из рабочих cпектральных диапазонов Д1….Д4 четырехдиапазонного ФПУ [37].
Спектральные характеристики четырехдиапазонного приемника, описанного в [37], имеют максимумы на длинах волн 5,0; 9,1; 11,0 и 14,2 мкм (рис.4), а соответствующие значения относительной ширины полосы Дл/л равны 26%, 15%, 17% и 11%. На рис.5 показаны зависимости максимума спектральной вольтовой чувствительности отдельных спектральных каналов такого приемника (Д1=4…6 мкм, Д2=8,5…10,0 мкм, Д3=10…12 мкм и Д4=13…15 мкм) от величины напряжения смещения, а на рис.6 приведены значения удельной обнаружительной способности отдельного пиксела каждого из каналов при напряжении смещения -1,5 В, диафрагменном числе объектива К=5 и температуре фона 300 К.
При использовании кремниевой КМОП-схемы считывания и температуре охлаждения фотоприемника менее 83 К отношение сигнал-шум в спектральном канале 4…6 мкм ограничивалось неоднородностью чувствительности пикселов ФПУ, шумом схемы считывания и дробовым шумом. При температуре охлаждения около 45 К для канала 13…15 мкм это ограничение определялось темновым токовым шумом. Для диапазонов 8,5…10,0 и 10…12 мкм при температуре охлаждения 45…83 К был достигнут предел - радиационный шум фона.
Процент годных пикселов был высок - свыше 99,9%. Экспериментально полученные значения ЭШРТ для диапазонов Д1,,,Д4 при температуре охлаждения 40 К составили 21, 45, 14 и 44 мК, соответственно. Сравнительно большие значения ЭШРТ для диапазонов Д2 и Д4 объясняются большим влиянием геометрического шума.
В [37] рассмотрена возможность применения четырехдиапазонного ФПУ в качестве устройства для измерения температуры наблюдаемых объектов.
Авторы [37] описывают конструкцию двухдиапазонного ФПУ, построенного по схеме сэндвича и работающего одновременно в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Разделительным слоем является тонкий слой (0,5 мкм) легированного GaAs. Спектральная характеристика ФПУ представлена на рис.7, а конструкция одного пиксела - на рис.8.
Рис. 7. Спектральная характеристика двухдиапазонного ФПУ
Рис. 8. Схематическое изображение одного пиксела двухдиапазонного ФПУ (MWIR - средневолновый, LWIR - длинноволновый ИК-диапазоны)
Первые разработки таких ФПУ имели формат 320 х 256 пикселов с периодом расположения 40 мкм и площадью фоточувствительного слоя 38 х 38 мкм2. Число годных пикселов ревышало 95 %. В системе охлаждения использовался холодильник Стирлинга замкнутого типа. При температурах охлаждения ниже 68 К отношение сигнал-шум ограничивалось неоднородностью фоточувствительной матрицы, шумами схемы считывания и радиационным шумом приходящего сигнала. При температуре охлаждения более 72 К превалировало влияние темновых токов.
Для кадровой частоты 30 Гц при температуре охлаждения 65 К экспериментально измеренная эквивалентная шуму разность температур составила 28 мК для средневолнового и 38 мК для длинноволнового ИК-диапазонов.
Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать ФПУ большого формата (1024 х 1024) [37]. Измеренная удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики средневолнового диапазона при напряжении смещения -1 В и температуре охлаждения 90 К составила 4•1011см•Гц0,5•Вт-1, а в максимуме спектральной характеристики длинноволнового диапазона при напряжении смещения -1 В и температуре охлаждения 70 К была равна 1•1011см•Гц0,5•Вт-1. Эквивалентная шуму разность температур при температуре охлаждения 70 К составила 27 и 40 мК для средневолнового и длинноволнового ИК диапазона, соответственно.
В [38] сообщается о создании ФПУ, работающего в спектральных диапазонах 3,6…5,4 и 7…9 мкм и имеющего формат 256 х 256 пикселов размерами 25 мкм. В первом из них максимум квантовой эффективности (55%) приходится на длину волны 4,7 мкм, а во втором (23%) - на 8,8 мкм. При диафрагменном числе 2,6 и времени накопления менее 5 мс значения ЭШРТ в обоих диапазонах составили менее 50 мК. Рабочие температуры ФПУ были равны менее 70 К в первом из диапазонов и менее 65 К во втором. Такие ФПУ, включающие в себя схему считывания и накопления ISC0208 фирмы Indigo, создавались для тепловизора CATHERINE-XP.
Фотоприемники на квантовых точках (ФКТ) [28? 39-42]
В этих ФПУ (ФКТ-ФПУ), по сравнению с ФКЯ, квантовые ямы заменены квантовыми точками, имеющими объемную локализацию во всех направлениях. Приемники излучения на квантовых точках (QDIP) принято считать одними из наиболее перспективных для создания новых ИКС 3-го поколения. В [28] отмечается, что такие свойства ФКТ-ФПУ как возможность принимать излучение, падающее по нормали к поверхности фоточувствительного слоя, т.е. высокая квантовая чувствительность, малый темновой ток, сравнительно высокая рабочая температура, а также хорошо освоенная технология изготовления матричных ФПУ, подобная технологии материалов А3В5 на дешевых подложках., позволят им уже в ближайшем будущем конкурировать с КРТ-ФПУ. Сообщалось о создании QDIP-приемников, способных работать в средневолновом ИК-диапазоне (3…5 мкм) при температуре охлаждения выше 200 К и в длинноволновом ИК-диапазоне (8…12 мкм) при140 К [39].
Для создания двух- и многодиапазонных фотоприемников используются различные технологии. Так, известны приемники в виде матрицы пикселов, каждый из которых состоит из двух фотодиодов, соединенных по схеме «спина к спине». Каждый пиксел для образования двухдиапазонного приемника имеет два контакта, куда подаются напряжения смещения.
Другой тип приемника использует изменяемое напряжение смещения для сдвига спектральной характеристики. Достоинством этой конструкции является упрощение технологии изготовления приемника за счет уменьшения числа контактов, наносимых на отдельные пикселы. Принцип работы перестраиваемого двухдиапазонного ФПУ на квантовых точках заключается в следующем. При малом напряжении смещения высокие энергетические барьеры в многослойной структуре GaAs блокируют носители, созданные длинноволновым ИК-излучением, и приемник работает в средневолновом диапазоне. При возрастании напряжения смещения высота барьеров уменьшается, что позволяет регистрировать фотоэлектроны, вызванные поглощением излучения в длинноволновом диапазоне и перешедшие барьеры. При отрицательном напряжении смещения порядка -0,3 В из-за отсутствия барьеров, блокирующих длинноволновое излучение, приемник работает одновременно в обоих спектральных диапазонах. Таким образом, меняя величину смещения, можно управлять режимом работы ФПУ.
Известна разновидность QDIP-приемников, в которых квантовые точки InAs внедрены в квантовые ямы InGaAs с ослабленной деформацией. В них ширина квантовых ям меняется асимметрично вверху и внизу ямы, что приводит к различию спектральных чувствительностей при положительных и отрицательных смещениях [40].
Нужно отметить сильное влияние квантовой эффективности на D* фотоприемников на базе квантовых точек. Настройка квантовых точек может осуществляться изменением напряжения смещения [41]. Считается, что по сравнению с квантовыми ямами квантовые точки имеют более продолжительное время жизни благодаря подавлению фотонного рассеяния и большей продолжительности возбужденных состояний.
В [42] описывается конструкция и технология изготовления многодиапазонного фотоприемника, в котором падающее излучение поступает на поверхность фоточувствительного слоя через плазмон - слой серебра толщиной около 150 нм в виде периодической двумерной решетки с квадратными отверстиями. Спектральной характеристикой приемника можно управлять, при изменяя шаг решетки, т.е. резонансные моды плазмона.
Конструкция пиксела такого приемника содержит подложку из GaAs, на которую последовательно наносятся нижний слой из n-GaAs с металлическими контактами, активный слой, в котором содержатся наборы из квантовых точек, внедренных в квантовые ямы, и промежуточные барьеры. Затем идут верхний слой из n-GaA с контактами и верхний металлический слой - плазмон.
Активные слои пикселов состоят из квантовых точек InSb, внедренных в одиночные или двойные квантовые ямы. Конструкция с одиночными квантовыми ямами содержала набор из 15-ти InSb-точек, помещаемых в ямы In0,15Ga0,85As с барьерами из GaAs. В конструкции с двойными квантовыми ямами использовались наборы из 30-ти InSb-точек в ямах In0.15Ga0.85As/GaAs с барьерами из Al0.1Ga0.9As.
При температуре охлаждения опытного образца Т=30 К и положительном смещении 4 В спектральная характеристика имела широкую область чувствительности - от 7 до 10,4 мкм. При Т=30 К и смещении -4,2 В области спектральной чувствительности составили 4,9…7,8 мкм и 10…11 мкм с максимумом на 10,3 мкм и полушириной полосы около этого пика порядка 1,4 мкм. При меньших напряжениях смещения пик спектральной характеристики чувствительности образца приходился на средневолновый ИК-диапазон.
Исследования такого приемника проводились при отношении ширины отверстия плазмона к периоду размещения отверстий (период решетки) 0,567 и отношении этого отверстия к длине волны порядка 0,31. При увеличении периода решетки пик спектральной характеристики смещался в сторону больших длин волн.