eng
Выпуск #2/2014
В.Карпов, А.Лыткин, В.Петренко, В.Семенов, К.Чиж
Охлаждаемые монолитно выполненные матрицы ИК-диапазона. Применение в серийном производстве
Охлаждаемые монолитно выполненные матрицы ИК-диапазона. Применение в серийном производстве
Просмотры: 8311
Для работы в спектральном диапазоне 1,5–5,5 мкм широко используются фотонные охлаждаемые матричные приемники излучения. В ИК-микрофотоэлектронных технологиях параллельно используются два типа конструкций фотоприемных матриц – монолитный и гибридный. В статье приведены результаты климатических испытаний изделий, что дает основание сделать выбор в пользу монолитно-выполненной конструкции.
В монолитной конструкции на одном кристалле формируют фоточувствительные площадки и схемы считывания. В гибридной конструкции фоточувствительные площадки располагаются на одном кристалле, а схема считывания – на втором кристалле. Затем эти кристаллы соединяют между собой с помощью технологии индиевых микростолбиков. У каждой конструкции есть свои преимущества в использовании.
Охлаждаемые монолитно выполненные матрицы ИК-диапазона на основе барьеров Шоттки из PtSi/Si привлекают к себе внимание разработчиков серийных тепловизионных приборов благодаря малой неоднородности чувствительности по площади. Неоднородность чувствительности в этих матрицах составляет не более 3%, что во много раз меньше неоднородности чувствительности матриц, выполненных по гибридной технологии. Это объясняется тем, что процессы генерации и рекомбинации носителей происходят не в объеме полупроводника и не в его поверхностном слое, а в тонком слое силицида платины PtSi, образующего барьер. Поэтому здесь квантовая эффективность не зависит от параметров полупроводника и их разбросов по площади фоточувствительного слоя. В технологии производства матриц приняты меры по повышению квантовой эффективности. Для этого после формирования барьера Шоттки на тонкую пленку PtSi наносится диэлектрический слой SiO2, а затем зеркальный слой алюминия. Лицевую сторону, выполненную из Si, покрывает просветляющий слой. Таким образом, получается резонатор между зеркальным и просветляющим слоями. Благодаря многократному отражению в нем падающего излучения, значительно увеличивается квантовая эффективность прибора.
Решающим достоинством технологии производства монолитных охлаждаемых ИК-матриц стал тот факт, что для их производства удалось использовать уже имеющуюся серийную технологию. Эта технология была разработана ранее для изготовления кремниевых интегральных схем и приборов с зарядовой связью. Она позволяет получать значительный процент выхода годных матриц, на порядок превышающий выход годных матриц, выпускаемых в гибридной конструкции.
Приведем для сравнения основные параметры тепловизоров (см. таблицу), выпускаемых различными фирмами, в которых используются монолитно выполненные матрицы ИК-диапазона на основе PtSi/Si. Как из нее видно, основной параметр тепловизиора – разность температур, эквивалентная шуму (NETD), принимает одинаковые значения для отечественных и зарубежных изделий. Можно заключить, что технология создания матриц данного типа в России в состоянии обеспечивать параметры тепловизионных приборов, сравнимые с зарубежными изделиями.
Другим неоспоримым достоинством монолитной конструкции является повышенная надежность работы монолитно выполненных охлаждаемых матриц по сравнению с аналогичным качеством матриц, выполненных в гибридной конструкции. У вторых при периодических испытаниях, когда изделие захолаживается до температуры 80К за 5 мин, наблюдается нарушение контактных соединений, что увеличивает появление дефектных элементов. Аналогичная картина наблюдается при испытаниях в условиях заданных вибраций и ударов.
Анализ готовой продукции показал, что количество дефектных элементов у монолитно выполненных матриц составляет ≈0,02% от общего числа элементов, тогда как у гибридно-выполненных ИК-матриц этот параметр достигает ≈2%.
Не стоит забывать про массогабаритные характеристики. Так, охлаждаемая масса монолитно выполненных матриц в три раза меньше по сравнению с гибридно-выполненными изделиями.
Учитывая, что матрицы используются в аппаратуре, которой предстоит работать в жестких климатических условиях, изделия должны отвечать требованиям специальных внешних воздействующих факторов по ГОСТ РВ 20.39.305. Радиационная стойкость кремниевых структур.
Технология изготовления охлаждаемых гибридных матриц позволяет выдерживать следующие параметры:
7И1 – степень жесткости II с коэффициентом 10–2;
7И6 – степень жесткости II с коэффициентом 10–2;
7И7 – степень жесткости II с коэффициентом 10–2.
Не стоит забывать и о стоимости. Ведь стоимость изготовления монолитно-выполненных матриц на порядок меньше стоимости гибридно-выполненных матриц. Именно поэтому ОАО "МЗ "САПФИР" осваивает серийное производство модуля фотоприемного устройства на базе охлаждаемого матричного МФПУ 2 ОМ, использующего серийно выпускаемую предприятием ОАО "Ангстрем" охлаждаемую матрицу 1204ЦМ2Н4 АЕЯР.431150.168 ТУ. Матрица выполнена на основе технологии создания барьеров Шоттки PtSi/Si и снабжена ПЗС-схемой считывания сигнала.
Модуль является составной частью тепловизионного прибора и предназначен для преобразования тепловых изображений, формируемых объективом, в цифровой видеосигнал.
Основные технические характеристики модуля МФПУ 2 ОМ:
Область спектральной чувствительности, мкм 3–5;
Формат матрицы, элементов 256×256;
Размер фоточувствительного
Поля матрицы, мм 9,2×6,9;
Шаг фоточувствительных элементов, мкм 36×27;
Рабочая температура матрицы, К 78–80;
Пороговая облученность
(при уровне фона 1·10-4 Вт/см2), Вт/см2 ≤2·10-7;
Количество единичных дефектов:
в центральной части поля (10%) 0,
в 30%-й зоне не более 15,
в 60%-й зоне не более 15;
Время накопления, мс 40;
Частота вывода информации, МГц 2,5;
Динамический диапазон, дБ ≥50;
Выходной сигнал параллельный
десятиразрядный двоичный код;
Охлаждаемая масса, г 5,7;
Напряжения питания, В 15,0 и 5,0;
Потребляемая мощность, Вт ≤3;
Масса, кг ≤0,75;
Габариты, мм 120×95×85.
Основное применение модуля МФПУ 2 ОМ по условиям эксплуатации – группа 5В ГОСТ В 20.39.404; климатическое исполнение УХЛ.
Результаты использования серийно выпускаемой монолитно выполненной матрицы 1204ЦМ2Н4 АЕЯР.431150.168 ТУ на основе барьеров Шоттки из PtSi/Si в ОАО "МЗ "САПФИР" в последние годы показали, что для охлаждаемых ИК-приемников технология монолитных кремниевых структур является предпочтительной, и перспективы дальнейшего использования этого направления еще не исчерпаны. ▪
Охлаждаемые монолитно выполненные матрицы ИК-диапазона на основе барьеров Шоттки из PtSi/Si привлекают к себе внимание разработчиков серийных тепловизионных приборов благодаря малой неоднородности чувствительности по площади. Неоднородность чувствительности в этих матрицах составляет не более 3%, что во много раз меньше неоднородности чувствительности матриц, выполненных по гибридной технологии. Это объясняется тем, что процессы генерации и рекомбинации носителей происходят не в объеме полупроводника и не в его поверхностном слое, а в тонком слое силицида платины PtSi, образующего барьер. Поэтому здесь квантовая эффективность не зависит от параметров полупроводника и их разбросов по площади фоточувствительного слоя. В технологии производства матриц приняты меры по повышению квантовой эффективности. Для этого после формирования барьера Шоттки на тонкую пленку PtSi наносится диэлектрический слой SiO2, а затем зеркальный слой алюминия. Лицевую сторону, выполненную из Si, покрывает просветляющий слой. Таким образом, получается резонатор между зеркальным и просветляющим слоями. Благодаря многократному отражению в нем падающего излучения, значительно увеличивается квантовая эффективность прибора.
Решающим достоинством технологии производства монолитных охлаждаемых ИК-матриц стал тот факт, что для их производства удалось использовать уже имеющуюся серийную технологию. Эта технология была разработана ранее для изготовления кремниевых интегральных схем и приборов с зарядовой связью. Она позволяет получать значительный процент выхода годных матриц, на порядок превышающий выход годных матриц, выпускаемых в гибридной конструкции.
Приведем для сравнения основные параметры тепловизоров (см. таблицу), выпускаемых различными фирмами, в которых используются монолитно выполненные матрицы ИК-диапазона на основе PtSi/Si. Как из нее видно, основной параметр тепловизиора – разность температур, эквивалентная шуму (NETD), принимает одинаковые значения для отечественных и зарубежных изделий. Можно заключить, что технология создания матриц данного типа в России в состоянии обеспечивать параметры тепловизионных приборов, сравнимые с зарубежными изделиями.
Другим неоспоримым достоинством монолитной конструкции является повышенная надежность работы монолитно выполненных охлаждаемых матриц по сравнению с аналогичным качеством матриц, выполненных в гибридной конструкции. У вторых при периодических испытаниях, когда изделие захолаживается до температуры 80К за 5 мин, наблюдается нарушение контактных соединений, что увеличивает появление дефектных элементов. Аналогичная картина наблюдается при испытаниях в условиях заданных вибраций и ударов.
Анализ готовой продукции показал, что количество дефектных элементов у монолитно выполненных матриц составляет ≈0,02% от общего числа элементов, тогда как у гибридно-выполненных ИК-матриц этот параметр достигает ≈2%.
Не стоит забывать про массогабаритные характеристики. Так, охлаждаемая масса монолитно выполненных матриц в три раза меньше по сравнению с гибридно-выполненными изделиями.
Учитывая, что матрицы используются в аппаратуре, которой предстоит работать в жестких климатических условиях, изделия должны отвечать требованиям специальных внешних воздействующих факторов по ГОСТ РВ 20.39.305. Радиационная стойкость кремниевых структур.
Технология изготовления охлаждаемых гибридных матриц позволяет выдерживать следующие параметры:
7И1 – степень жесткости II с коэффициентом 10–2;
7И6 – степень жесткости II с коэффициентом 10–2;
7И7 – степень жесткости II с коэффициентом 10–2.
Не стоит забывать и о стоимости. Ведь стоимость изготовления монолитно-выполненных матриц на порядок меньше стоимости гибридно-выполненных матриц. Именно поэтому ОАО "МЗ "САПФИР" осваивает серийное производство модуля фотоприемного устройства на базе охлаждаемого матричного МФПУ 2 ОМ, использующего серийно выпускаемую предприятием ОАО "Ангстрем" охлаждаемую матрицу 1204ЦМ2Н4 АЕЯР.431150.168 ТУ. Матрица выполнена на основе технологии создания барьеров Шоттки PtSi/Si и снабжена ПЗС-схемой считывания сигнала.
Модуль является составной частью тепловизионного прибора и предназначен для преобразования тепловых изображений, формируемых объективом, в цифровой видеосигнал.
Основные технические характеристики модуля МФПУ 2 ОМ:
Область спектральной чувствительности, мкм 3–5;
Формат матрицы, элементов 256×256;
Размер фоточувствительного
Поля матрицы, мм 9,2×6,9;
Шаг фоточувствительных элементов, мкм 36×27;
Рабочая температура матрицы, К 78–80;
Пороговая облученность
(при уровне фона 1·10-4 Вт/см2), Вт/см2 ≤2·10-7;
Количество единичных дефектов:
в центральной части поля (10%) 0,
в 30%-й зоне не более 15,
в 60%-й зоне не более 15;
Время накопления, мс 40;
Частота вывода информации, МГц 2,5;
Динамический диапазон, дБ ≥50;
Выходной сигнал параллельный
десятиразрядный двоичный код;
Охлаждаемая масса, г 5,7;
Напряжения питания, В 15,0 и 5,0;
Потребляемая мощность, Вт ≤3;
Масса, кг ≤0,75;
Габариты, мм 120×95×85.
Основное применение модуля МФПУ 2 ОМ по условиям эксплуатации – группа 5В ГОСТ В 20.39.404; климатическое исполнение УХЛ.
Результаты использования серийно выпускаемой монолитно выполненной матрицы 1204ЦМ2Н4 АЕЯР.431150.168 ТУ на основе барьеров Шоттки из PtSi/Si в ОАО "МЗ "САПФИР" в последние годы показали, что для охлаждаемых ИК-приемников технология монолитных кремниевых структур является предпочтительной, и перспективы дальнейшего использования этого направления еще не исчерпаны. ▪
Отзывы читателей
