Определялась чувствительность приемника к состоянию поляризации падающего на него излучения. При температуре охлаждения 77 К и напряжении смещения 5 В резонансный пик спектральной чувствительности к неполяризованному излучению наблюдался на длине волны 6,8 мкм при состоянии поляризации 0о. При изменении состояния поляризации на 90о эта чувствительность падала вдвое. При этом возникал небольшой пик чувствительности в области около 8 мкм.
Компания RTI International сообщила о новых образцах фотоприемников на базе квантовых точек (ФКТ-ФПУ), с увеличенным спектральным диапазоном, по сравнению с ФПУ на InGaAs. Квантовая чувствительность таких фотодиодов превышает 50%, а постоянная времени составляет менее 10 мкс, что делает их пригодными для использования в быстродействующих ИКС. Линейность входного сигнала наблюдалась в динамическом диапазоне 40дБ. Они работают при комнатной температуре и хорошо сочетаются с монолитными интегральными схемами считывания на гибких подложках, что снимает всякие ограничения по размеру ФПУ. Технология их изготовления достаточно проста, что значительно снижает стоимость ФПУ. Эта технология позволяет создавать крупногабаритные многодиапазонные МФПУ с расширенной спектральной характеристикой в диапазоне 0,25….1,8 мкм.
Устройства работают на гетеропереходах PbS-C60 (фуллерен). Структура фотодиодного ФКТ состоит из прозрачной для излучения стеклянной подложки, на которую наносится прозрачный проводник, обычно окисел In и Sn. Этот проводник является одним из контактов фотодиода. Затем следует активная область, состоящая из блокирующего электронного слоя, слоя квантовых точек PbS диаметром порядка 5 нм, слоя фуллерена и, наконец, слоя, блокирующего дырки. Квантовые точки размещаются в органическом растворителе, обычно толуоле. Слой с квантовыми точками имеет толщину порядка 100 нм. Слой фуллерена напыляется на слой с квантовыми точками. Блокирующие (изолирующие) слои могут наносится испарением или нанесением из раствора. На активную область наносятся верхние контакты из Al. В опытных образцах диаметр Al-контактов был равен 3 мм. Обратное смещение составляло - 2В. В качестве верхнего контакта предлагается использовать пикселы схемы считывания вместо Al-контактов.
Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II [43-49]
Как альтернативу ФПУ на основе КРТ и СКЯ в последние годы все чаще рассматривают фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II (type II superlattice - T2SL). Такие ФПУ позволяют сравнительно просто получать перестраиваемую длинноволновую границу спектральной характеристики лгр; они обладают высокой поглощательной способностью и, как следствие, высокой квантовой эффективностью, более однородны по фоточувствительному слою, имеют малые темновые токи. Сегодня создание крупноформатных ФПУ на базе T2SL затруднено из-за ограниченных размеров подложек из GaSb, применяемых при их изготовлении. Лучшие T2SL-ФПУ имеют форматы 320 х 256 пикселов и менее. Так, сообщается об изготовлении T2SL-ФПУ на базе гибридных гетероструктур InAs/GaInSb/AlGaInSb формата 256 х 256 пикселов размером 40 мкм, работающих при температурах 78…80 К и имеющих квантовую эффективность около 40% на длине волны 8 мкм. Темновые токи этих ФПУ в 10…20 раз меньше, чем у близких по параметрам ФПУ-КРТ. Значение лгр у этих ФПУ может смещаться от 9 до 11,5 мкм.
В последнее время привлекает внимание возможность создания T2SL-ФПУ T2SL-ФПУ на подложках из GaAs, хорошо освоенного в электронной промышленности. В таких ФПУ уже достигнута удельная обнаружительная способность D?= 1,1•1011 Вт-1см Гц1/2 при Тохл=77 К в диапазоне 8…12 мкм.
Работа фотоприемников на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II (СР-ФПУ) основана на аномальном взаимном расположении зоны проводимости InAs и валентной зоны GaSb - первая расположена ниже второй. Ширину запрещенной зоны в них можно подбирать в широких пределах (3…30 мкм), и она в большей степени зависит от толщины слоев, нежели от композиции материалов. Технология изготовления СР-ФПУ, основанная на молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет формировать однородные фоточувствительные слои с высоким процентом годных приемников. При этом имеется возможность точной регулировки лгр . Значение лгр растет с увеличением рабочей температуры; значение ЭШРТ остается практически постоянным до 90 К, после чего начинает резко возрастать. Это вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны, что ведет к возрастанию тепловой генерации носителей заряда [43].
Интерес к CР-ФПУ, обладающим большим коэффициентом поглощения, возник из-за возможности замены ими КРТ-ФПУ, а также из-за того, что они поглощают нормально падающее на них излучение, так что в отличие от ФКЯ-ФПУ никаких дифракционных структур в их конструкции не требуется. Технология их изготовления основана на хорошо отработанной технологии материалов А3В5 на дешевых подложках. Из рис.1 видно, что теоретическое значение D* у них выше, чем у других типов приемников.
Распространенными материалами CР-ФПУ являются InAs, GaSb, AlSb, GaInSb. В последние годы демонстрировались СР-ФПУ средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов. В [43] сообщалось о разработке матрицы формата 320 х 256 на базе InAs/GaSb с лгр =9,6 мкм на уровне 50% от максимума при температуре 80 К. Квантовая эффективность при использовании антиотражающего покрытия составила 80%, а ЭШРТ - 23 мК. Матрица работает с частотой кадров более 32 Гц и при смещениях от 120 до 200 мВ без изменения чувствительности.
В последние годы усилия исследователей из Фраунгоферского института прикладной физики твердого тела (IAF) были направлены на создание серийных образцов двухдиапазонных ФПУ на сверхрешетках типа II третьего поколения, для ИКС, работающих в средневолновом ИК-диапазоне (3…5мкм. Такие ФПУ идеально подходят для работы в составе бортовых комплексов оповещения о ракетной угрозе, благодаря возможности обеспечивать малую вероятность ложных тревог при построении изображений нагретых потоков СО2 в считанные миллисекунды. Было изготовлено 11 двухдиапазонных ФПУ формата 288х384 на подложке из GaSb размером три дюйма, которые отличались высокой однородностью пикселов и малой ЭШРТ. Период пикселов составлял 40 мкм, но мог быть уменьшен до 30 мкм. Температура охлаждения равнялась 77 К. Первые приемники на сверхрешетках строились на основе короткопериодных структур InAs/GaSb. Они позволяли одновременно принимать излучение в двух спектральных каналах внутри диапзона 3…5 мкм. При температуре охлаждения 78 К и времени накопления 0,2 мс ЭШРТ таких ФПУ составила 25,9 мК в спектральном канале 3…4 мкм и 14,3 мК в канале 4…5 мкм.
Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера еще в 2005-06 г.г. разработала двухдиапазонные (3…4 и 4…5 мкм) СР-ФПУ формата 384 х 288 с периодом пикселов 40 мкм на базе InAs/GaSb со значениями ЭШРТ 12 мК в диапазоне 3…4 мкм и 22 мК в диапазоне 4…5 мкм при диафрагменном числе К=2 и времени накопления tн= 2,8 мс. Температура охлаждения приемников равнялась 77…85 К. В 2009 г. появилось сообщение о разработке двухдиапазонных СР-ФПУ формата 384 х 288 пикселов со средними значениями ЭШРТ 25,9 мК (для 3…4 мкм) и 14,3 мК (4…5 мкм) при охлаждении до 78 К и времени накопления 0,2 мс [44].
В [44, 45] описывается технология изготовления двухдиапазонных СР-ФПУ методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Была выбрана конструкция с вертикальным расположением «спина к спине» двух фотодиодов на основе суперрешеток с контактным слоем между ними. Толщина слоев коротковолновой структуры должна быть больше, чем в длинноволновом канале для уменьшения перекрестных спектральных искажений.
Стандартная схема считывания этих ФПУ представляет собой мультиплексор на КМОП-элементах с непосредственной инжекцией зарядов. Различие в интенсивности фоновых потоков в рабочих спектральных диапазонах учитывается путем выбора различных режимов накопления зарядов и независимого управления временами накопления. Для адаптации к изменениям яркости наблюдаемой сцены предусмотрена возможность выбора двух режимов усиления - высокого и низкого. Матрица работает в режиме мгновенной съемки, т.е. сначала происходит накопление, а затем одновременное считывание сигналов обоих рабочих диапазонов. Схема считывания имеет восемь выходов, каждый из которых работает на максимальной частоте 10 МГц. Для каждого спектрального канала имеются четыре выхода. Схема может запускаться внешним кадровым синхросигналом с частотой до 100 Гц для времени накопления менее 6 мс. Для более высоких частот кадров предусмотрено программирование окон в кадре.
В качестве системы охлаждения может использоваться стандартный модуль компании AIM Infrarot-Module GmbH SL150 мощностью 1,5 Вт или SL100 мощностью 1 Вт. Компания разработала также новый модуль SF100, средняя наработка на отказ у которого составляет 20000 ч и более.
В Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института были созданы образцы СР-ФПУ с барьерными ИК приемниками (BIRD) на базе соединений InAs/GaSb/ AlSb, в которых используются униполярные барьеры, блокирующие только один какой-либо тип носителей [46]. Опытные образцы имели граничную длину волны 10 мкм и работали при температуре 77 К. Без применения просветляющего покрытия была достигнута чувствительность 1,5 А/Вт и плотность темнового тока 10 -5 А/см2 при напряжении питания 0,2 В. Для температуры фона 300 К значение D* составило 2,6·1010 Вт-1Гц1/2см.
В [47, 48] обсуждаются вопросы разработки СР-ФПУ на основе InAs/(In,Ga)Sb, которые могут быть использованы для работы в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Переключение диапазонов достигается изменением напряжения смещения на малую величину (около 0,1 В) и его полярности. Образцы СР-ФПУ формата 320 х 256 при температуре охлаждения 77 К имели ЭШРТ порядка 24 мК (при К=4 и tн =16,3 мс), удельную обнаружительную способность D*=6,4 ·1011 Вт-1·см·Гц1/2 и чувствительность 1,5 А·Вт-1. Значения лгр в рабочих спектральных диапазонах равнялись 3,5 и 8,0 мкм.
Поскольку создание крупноформатных СР-ФПУ затруднено из-за ограниченных размеров подложек из GaSb (до 2…3-х дюймов), их высокой стоимости, а также значительного поглощения ими ИК-излучения, в последнее время привлекает внимание разработка СР-ФПУ на подложках из более дешевого и лучше освоенного в электронной промышленности материала - GaAs. Подложки из GaAs имеют размеры до 6 дюймов и лучше пропускают ИК-излучение. В [49] указывается, что оптические и электрические характеристики опытных образцов СР-ФПУ на подложках из GaAs соответствуют характеристикам СР-ФПУ на подложках из GaSb.
ФПУ для ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона
Матричные ФПУ ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона на базе InGaSb и InGaAs неоднократно предлагались для использования в ИКС, работающих комбинированным (активно-пассивным) методом. Активный канал, работающий на безопасных для глаза длинах волн, может использоваться для приема отраженного от цели излучения лазера, и при стробировании по дальности возможно увеличить дальность обнаружения и распознавания различных целей, как это имеет место в лидарах. Разработка миниатюрных неохлаждаемых InGaAs-матриц рассматривается как путь замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в приборах ночного видения.
Учитывая малые габариты, массу и энергопотребление (менее 5 Вт) подобных ФПУ и камер на их основе, можно ожидать их широкого применения в комбинированных (комплексированных) ИКС, работающих в двух или более участках ИК спектра. Разделение всего рабочего участка спектра на отдельные спектральные диапазоны возможно с помощью узкополосных оптических фильтров.
В настоящее время во многих ИКС, работающих в ближневолновом ИК-диапазоне, используются матричные фотоприемные устройства (МФПУ) на базе InxGa1-xAs. Для них достигнута хорошая обнаружительная способность и низкий уровень шума.
Для работы в коротковолновом ИК-диапазоне (1,0…2,5 мкм) часто предлагается использовать фотодиодные ФПУ на базе InGaAs/GaAsSb типа II, выращенные на подложке из InP. Эти ФПУ используются в беспилотных летательных аппаратах, ручном стрелковом вооружении, разведывательной и другой аппаратуре. Кроме того, такие ФПУ применяются для обнаружения лазерного излучения, как собственного при работе активным методом, так и создаваемого противником.
Системы с InGaAs-ФПУ чувствительны к ИК излучению с длинами волн до 1,7 мкм (при x = 0,53) и до 2,5 мкм (при x = 0,8), где велико излучение вспышек выстрелов, детонаций, факелов ракет, а также имеет место ночное свечение атмосферы, вызванное ионизацией в верхних ее слоях и обеспечивающее работу ИКС в безлунную ночь. Малая инерционность InGaAs-фотодиодов позволяет регистрировать быстропротекающие процессы, например, при быстром взаимном перемещении носителя ФПУ и просматриваемой сцены. Эти системы имеют малые темновые токи и не требуют поэтому криогенного охлаждения; они работают с термоэлектрическими охладителями, необходимыми для проведения коррекции неоднородности чувствительности и темновых токов отдельных пикселов.
Компания Goodrich ISR Systems (прежде Sensors Unlimited, Inc.) разрабатывает ИКС с InGaAs-ФПУ, начиная с начала 1990-х г.г. Спонсируемая DARPA, компания к настоящему времени создала на основе InGaAs-ФПУ формата 640 х 512 пикселов систему SU640KTSX с массой менее 100 г, частотой кадров 60 Гц и разрядностью видеовыхода 12 или 14 бит [50]. В этой системе имеется блок двухточечной коррекции неоднородности, автоматическая регулировка усиления, блок улучшения изображения и форматирования видеовыхода. Термоэлектрический охладитель используется для стабилизации ФПУ при одном значении температуры - 18 или 23оС. Аналого-цифровые преобразователи интегрированы в схему накопления и считывания, что обеспечивает небольшие размеры, массу и энергопотребление ФПУ. Так, общая потребляемая мощность составляет менее 1 Вт.
Камера SU640KTSX использует формат 640 х 512 и имеет массу менее 100 г. В камере осуществляется стабилизация рабочей температуры с помощью термоэлектрического охладителя на основе эффекта Пельтье и одноточечная коррекция неоднородности отдельных пикселов в диапазоне 18о…23о C, а также автоматический контроль коэффициентов усиления.
Как пример разработок ФПУ на базе InGaAs/InP - фотодиодов, чувствительных в диапазоне 0,4…1,7 мкм, с кремниевой интегрированной схемой считывания можно привести матрицу формата 1280х1024 с размером пикселов 20 мкм фирмы Goodrich (ранее Sensors Unlimited, Inc - SUI), а также разработку той же фирмы ФПУ такого же формата с шагом пикселов 15 мкм. У последней схема считывания может работать на частоте кадров 120 Гц и имеет динамический диапазон 3000:1 в режиме непрерывного накопления [52].
Для работы в том же диапазоне (до 1,6 мкм) рассматривается возможность использования недорогих неохлаждаемых ФПУ на базе SiGe [51]. Применяемая при их изготовлении кремниевая технология хорошо отработана. Она обеспечивает малые размеры пикселов и совместимость с кремниевыми схемами считывания и обработки сигналов. Компанией Magnolia Optical Technologies Inc. разработаны монолитные матричные ФПУ формата 128 х 128, чувствительные в видимом и ближневолновом ИК диапазонах (от 0,4 до 1,65 мкм) с шагом пикселов 10 мкм. В этих матрицах кремниевые фотодиоды стандартного КМОП-фотоприемника заменены германиевыми фотодиодами.