Зв`язок з науковими програмами, планами, темами. Більшість результатів дисертаційної роботи одержано при виконанні тематики та планів наукових досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України, зокрема за держбюджетними темами №7 “Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових систем інфрачервоної мікроелектроніки”, № 2М/72-2000 “Розробка фізико-технічних основ створення фоточутливих наноструктур в системі напівпровідникових сполук А2В6, А3В5, А4В6”, та при виконанні ряду науково-технічних контрактів №96EMCR/471211K-402UK, 1996 р. (КНР), №97LUF/901004SK, 1997 р. (КНР), одним із виконавцем яких був автор дисертаційної роботи.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в аналізі шляхів побудови, розробці конструкцій, технологій реалізації та дослідження параметрів високонадійних пристроїв зчитування інформації у фокальній площині з багатоєлементних ІЧ фотоприймачів.

Досягнення цієї мети забезпечувалося розв`язанням таких задач:

аналізу сучасного стану розробки пристроів зчитування інформації з багатоелементних ІЧ фотоприймачів довгохвильвого діапазону,

розробки принципів побудови пристроїв зчитування інформації від багатоелементних фотодіодних приймачів випромінювання з урахуванням впливу високого рівня фонового випромінювання,

розробки схемотехнічних рішень та конструкцій схем попередньої обробки інформації від багатоелементних фотодіодних приймачів ІЧ випромінювання в діапазоні 8-12 мікрон, створення елементної бази приладів з зарядовим зв`язком (ПЗЗ), для зчитування сигналів від фотодіодів та іх попередньої обробки,

експериментального виготовлення, дослідження та оптимізація пристроїв зчитування інформації від багатоелементних фотодіодних приймачів ІЧ випромінювання в діапазоні 8-12 мікрон,

дослідження властивостей приладів з зарядовим звЧязком (ПЗЗ) при низьких температурах, розробка конструкцій та технології ПЗЗ, які надійно працють при кріогених температурах,

розробки технології виробництва схем зчитування, яка обЧєднує технологію приладів з зарядовим звЧязком та технологію створення надвеликих комплементарних МДП інтегральних схем,

розробки методики тестування схем зчитування на кімнатних температурах для проведення 100% відбору схем зчитування без застосування спеціального зондового обладнання великої вартості, яка дозволяє прогнозування параметрів схем зчитування при кріогених температурах.

Об`єктом досліджень є передача, обробка та організація інформації в пристроях зчитування на основі кремнієвих ПЗЗ, створенних за n-канальною та КМДП технологією.

Предмет досліджень - шляхи побудови високонадійних багатовхідних пристроїв зчитування інформації з багатоелементних фотодіодних структур на основі КРТ.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених у роботі задач використовувались методи математичного моделювання та верифікациї єлектроних схем в системах “OrCAD-9” та “MicroSim-8”, методи топологічного проектування в системі “Сталкер-ПК”, методи верифікації топологічних креслень в системі “ОТТО-2000”, методи розробки й аналізу конкретніх технічних рішень. Технологічні, експериментальні дослідження базувалися на електрофізичних та оптичних методах дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів.

В результаті комплексних конструкторських, теоретичних і експериментальних досліджень пристроїв зчитування на основі ПЗЗ вперше були отриманні такі результати:

Розроблені конструкції вхідних та вихідних пристроїв ПЗЗ з застосуванням біполярних та МДП транзисторів та технологія створення таких пристроїв, що дозволяє отримувати покращені характеристики вхідних та вихідних пристроїв - лінійність, динамічний діапазон, навантаженоздатність.

Встановлено залежності ефективності переносу заряду від конструкції та технології виготовлення ПЗЗ при кріогенних температурах. Запропоновано послідовність технологічних операцій та проведена оптимізація ряду технологічних процесів для досягнення високої ефективності переносу заряду при кріогенних температурах.

Для забеспечення повного тестування усіх елементів пристроїв зчитування розроблена конструкція спеціальних тестуючих елементів.

Запропонована методика тестування та відбору схем зчитування на рівні кремнійових пластин при кімнатних температурах з прогнозуванням їх параметрів для експлуатації при кріогенних температурах.

Розроблена методика розрахунків погіршення роздільної здатності при застосуванні на вхідних пристроях режимів ділення та віднімання (partition, skimming), запропоновані конструкції вхідних пристроїв, які забеспечують застосування цих режимів.

Практичне значення результатів. Серед основних результатів, що мають важливе прикладне значення для ІЧ приладобудування варто виділити такі:

Запропоновано шляхи оптимізації технологічного процесу виготовлення схем зчитування на основі ПЗЗ з багатоелементних інфрачервонних фотоприймачів, працюючих при кріогених температурах.

Розроблені та опробовані вхідні каскади великой зарядової спроможності для схем зчитування на основі ПЗЗ з багатоелементних інфрачервонних фотоприймачів в умовах значних фонових випромінювань.

Розроблені, виготовлені та досліджені параметри мікросхем зчитування з тестуючими елементами, які дозволяють проводити відбір придатних кристалів на пластинах без застосування високовартісної багатоконтактної зондової техніки.

Розроблена і апробована методика відбору кристалів схем зчитування при кімнатних температурах, що дозволяє прогнозувати параметри схем зчитування, що працюють при кріогенних температурах.

Вперше розроблено та освоєно в малосерійному виробництві на базі Київського інституту мікроприладів схеми зчитування на основі ПЗЗ з багатоелементних інфрачервоних фотоприймачів на основі вузькощілинних напівпровідників типу КРТ формату 232, 264, 4288.

Особистий внесок здобувача. У дисертації використані результати робіт, виконаних у співавторстві. У більшості з них автор був ініціатором досліджень, формулював завдання і визначав шляхи їх вирішення, розробляв відповідні методики. Він приймав активну участь у виготовлені екпериментальних зразків і установок, проведені досліджень, розробці методик тестування, впровадженні результатів у виробництво, обробці та интерпретації отриманих даних. Основні наукові положення та висновки, що складають суть дисертації, автор сформулював особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідались на ряді міжнародних конференцій: 1) Int. Conf. OPTDIM'95 (Kiev), (1995); 2) Int. Conf. "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics", 30.09.-02.10.1996, Uzhgorod; 3) Intern. Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation, San-Diego, 19-24, July (1998); 4) 13th Annual International Symposium on "AeroSense", Orlando, USA, 5-9 April (1999); 5) Научно-технич. Конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, 25-27.05.2000; 6) 5th Int. Conf. "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics", Kiev, 22-24 May (2000), 7) Intern. Conf. "Optoelectronics-2001", San-Jose, USA, 20-26, January (2001), Intern. Conf. “Photonic Materials, Devices and Circuits”, San Diego, USA, 29 July-3 August (2001), 8) XVII Межд. научно-техн. конф. По фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, 27-31.05 (2002).

Публікації. основні результати дисертації опубліковані в 10 наукових статтях та 6 тезах наукових доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів основного тексту, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Повний обсяг роботи - 128 сторінок, в тому числі, основний текст викладено на 128 сторінках, який супроводжується 28 ілюстраціями та 4 таблицями на 26 сторінках. Список цитованої літератури має 108 найменування на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність та напрям досліджень, сформульовані мета роботи та задачі, які вирішувались. Визначені наукове та практичне значення виконаних досліджень, їх зв`язок з плановими завданнями та науковими проблемами, наведені відомості, що стосуються впровадження результатів у виробництво, а також щодо апробації роботи та публікацій, де висвітлені основні результати дисертації.

Перший розділ містить огляд літературних джерел, присвячених застосуванню кремнійових схем зчитування сигналів з інфрачервоних датчиків. Відзначено, що для сучасних потреб треба розглядати два сімейства фотоприйомних пристроїв (ФПП), які в основному можуть задовольнити вимоги як сучасних ІЧ систем, так і систем найближчого майбутнього. Це - скануючі ФПП з багатоелементними лінійками фотоприймачів (першого і другого поколінь), у тому числі, і багаторядними, здатними працювати і у режимі тимчасової затримки і накопичення (режим ТЗН), і ФПП, що "дивляться", з матричними фотоприймачами. Розглянуті особливості застосування схем зчитування для найбільш важливих спектральних діапазонів, обумовлених вікнами прозорості атмосфери, наявністю випромінювачів з високою інтенсивністю (наприклад, лазерів) і властивостями волоконно-оптичних ліній зв'язку й ін. Це діапазон 1.0 - 2.5 мкм (активна і пасивна локація, волоконно-оптичні лінії зв'язку), діапазон 3.0 - 5.0 мкм (активна і пасивна локація, теплобачення), діапазон 8.0 - 14.0 мкм (активна і пасивна локація, теплобачення).

Розглянуто особливості детектування інфрачервоного випромінювання, враховуючи фонове випромінювання та обмеження темнового струму ІЧ-фотодіоду. За допомогою створеної програми, проведені розрахунки гранично можливих параметрів ФПП інфрачервоного діапазону.

Розглянуто розвиток архітектури та конструкцій схем зчитування, надано їх класифікацію, приведено порівняння різноманітних архітектури схем зчитування. Проведений аналіз в першу чергу відноситься до схем зчитування з інфрачервоних вузькощілинних кадмій-ртуть-телур (КРТ) діодів, але придатний і для других типів діодних детекторів.

Узагальненими функціями, які мусять виконувати схеми зчитування є:

розділення детекторів

формування сигналів від кожного детектора

мультиплексування інформації в обмежену кількість відеовиходів.

Архітектури схем зчитування в застосувані до матричних фотоприймальних пристроїв можна розділити на наступні 5 загальних типів:

архітектура на приладах з зарядовим звязком (ПЗЗ);

архітектура з комутуємими піксельними повторювачами;

архітектура з стовпчиковими підсилювачами;

архітектура з вихідним інтегруванням;

архітектура з підсиленням митєвозахопленого заряду.

Кожна з цих архітектур має свої переваги та вади, які враховуються при конкретному застосуванні, але серед усіх тільки ПЗЗ архітектура, яка є чи не єдиною для матричних фотоприймачів видимого діапазону, забезпечує однаковий час інтегрування та повну синхронізацію для усіх пікселів. Аналоговість, притамана ПЗЗ, органічно вписує технологію виготовлення ПЗЗ у таку архітектуру. Найбільш переваги такої архітектури та технології виявляються в схемах зчитування для багаторядних лінійок, які працюють у режимі ЧЗН. Недоліками цієї архитектури є неможливість реалізації довільної адресації, неможливість зміни формату зображення. Крім того, технологія ПЗЗ має менший рівень інтеграції, ніж сучасна КМДН технологія та більш високі напруги живлення.

Другий розділ дисертації присвячений проблемам стикування ІЧ фотодіодів та схем зчитування на основі ПЗЗ. Для оцінки величини накопичуванної емності проведені розрахунки струмів та зарядів, які можуть накопичуватися у вхідних пристроях схем зчитування, в залежності від параметрів ІЧ-фотодіодів та фонового випромінювання. В діапазоні 8-12 мкм в залежності від параметрів фотодіодів та часу інтегрування ці значення коливаються в межах від десятків до сотен нА та від десятих долей до одиниць пК.

В інтегральній схемі з заданим кроком розміщення пікселів можливість збільшення накопичувальної ємності обмежена, що накладає обмеження на чутливість, мінімальну роздільну різницю температур, що еквівалентна шуму (NEDT) та динамічний діапазон. Необхідно до мультиплексування та підсилення вводити обробку вхідного сигналу (подавляти фоновий сигнал).

Проведено аналіз основних схем стикування ІЧ-фотодіодів з схемами зчитування. Відомо 5 схем стикування, вони показані на рис1.

Це схема стокового повторювача на кожному діоді - SFD (рис.1а); модуляції затвору - GM (рис.1б); прямої інжекції - DI (рис.1в); підсиленої прямої інжекції - BDI (рис.1г); підсилювача з перетворенням ємності - CTIA (рис.1д). Найбільш ефективною схемою стикування для діапазону 8-12 мкм схем зчитування з матричними та багаторядними лінійними ІЧ фотодіодами є схема прямої інжекції, як найпростіша в конструкції та найневибагливіша в технології виготовлення. Для забеспечення однорідності вихідних характеристик схеми зчитування необхідно, відтворення однакових параметрів вхідних кіл. Для схеми прямої інжекції - це розміри та порогова напруга (точніше підпорогова напруга) транзистора прямої інжекції.

Запропоновані методика відбору пластин кремнію та способу створення підзатворного діелектрика дозволяє з високим процентом виходу, більшим за 20%, отримувати для 1152 транзисторів розбіжність порогової напруги менш ніж 10 мВ (рис.2). Лінійність вихідних характеристик забеспечує правильний вибір довжини каналу транзистора прямої інжекції, що дозволяє уникнути залежності підпорогового струму від стокової напруги.

Нечутливисть до розбіжностей порогової напруги та високий вхідний опір має запропонованний вхідний пристрій (рис.3) з потенціальним диференційним входом. Такий вхід зкладається з двох ідентичних каналів, працюючих за режимом інжекції-екстракції (вирівнювання потенціалів). акопичений в каналах заряд обєднується в ємності С і передається для наступної обробки. Застосування схем зчитування для обробки інформації з КРТ ІЧ-фотодіодів, працюючих в діапазоні 8 - 12 мкм, обумовлює необхідність роботи з фоновими сигналами значної інтенсивності. Для подавлення фонового сигналу застосовуються схеми ділення та віднімання. Досягається це додатковими елементами, які вводяться у вхідний каскад схеми зчитування. Схематично функціонування такого каскаду показано на рис.4.

Звичайно, що додаткові елементи привносять додатковий шум в вихідний сигнал, який звязаний з невизначеностю встановлення потенціалу (kTC-шум) та шумом постійних напруг. В режимі ділення загальний шум можна визначити як:

(1)

У режимі віднімання:

(2)

У комбінованому режимі віднімання-ділення:

(3)

де C=C1 + C2, Qon - шум вхідного заряду, U1 и U2- шумові потенціали електродів C1 и C2, CG1 - ємність затвору G1, UG1 -шумовий потенціал електроду G1, - коефіціент ділення.

Числові підрахунки, зроблені за цими формулами, показують, що при достатній фільтрації постійних напруг (шум на них не може перевищувати 100 мкВ) загальній шум, у найгіршому випадку, не перевищує шум в звичайному (лінійному) режимі більш, ніж на декілька процентів (не більше 5%).

Третій розділ присвячено дослідженню конструктивних елементів схем зчитування на основі ПЗЗ. Ці конструктивні елементи ПЗЗ використовуються і в інших застосуваннях приладів із зарядовим звязком, головна особливість в розглядаємому випадку - це робота їх при кріогених температурах.

Розглянуто конструкції вхідних послідовних і паралельних та вихідних пристроїв, у застосувані до схем зчитування. Для паралельних вхідних пристроїв запропоновано конструкцію зі збільшеним часом передачі заряду в послідовний мультиплексор. Така конструкція, за рахунок передачі заряду під електроди різних фаз, дозволяє повністю використати час, який відведений для паралельної передачі заряду в мультиплексор. Для вихідних пристроїв, побудованих на “плаваючому” p-n-переході, запропоновано використання додаткового p-n-переходу, що разом з вихідним МДП транзистором створює комбінований МДП-біполярний каскад, який відрізняється економічностю та швидкодією.

Розглянуто різні конструкції каскадів часової затримки та накопичення (ЧЗН), дозволяючих реалізувати цю функцію в інтегральній схемі. Показано, що ЧЗН найкраше реалізується при обробці інформації у вигляді заряду, тому ПЗЗ різних типів найбільш поширений засіб, який використовується у сучасних схемах зчитування.

Розглянуто обмеження, які накладають елементи ЧЗН на максимальний вхідний заряд, який приходить від фотодіоду. Функціонуваня схем зчитування при кріогених температурах породжує необхідність отримання високої ефективності переносу. Як відомо, неефективність переносу заряду збільшується з пониженням температуру нижче якогось визначенного рівня. Цей рівень, за літературними даними знаходиться на рівні 70-100 К. Дослідження, які приводяться у дисертації, показують, що цей рівень може підніматися до температур 150-180 К (рис.5).

Проведені дослідження показують можливість застосування для мультиплексорів ПЗЗ з поверхневим каналом, як таких, у котрих залежність неефективності переносу заряду від температури значно нижча, ніж у приладів з обємним каналом. З приладів з обємним каналом перевага віддається приладам з глибоко зануреним каналом, хоча вони мають більші напруги живлення ніж прилади з неглибоко зануреним каналом. Розглянуто особливості технологічних маршрутів виготовлення ПЗЗ з різними каналами, вплив окремих технологічних процесів (в першу чергу іоного легування каналу) на неефективність переносу заряду.

У четвертому розділі подаються результати експериментальних підтверджень працездатності розроблених конструкцій ПЗЗ для схем зчитування інформації з багатоелементних ІЧ фотоприймачів. Експерементальна перевірка запропонованих конструкцій була проведена на розроблених мікросхемах зчитування з багатоелементних ІЧ фододіодів формату 264 та 24144. Мікросхема схеми зчитування з ІЧ-фотодіодів формату 24144 була виконана з часовою затримкою та накопиченням.

Для забезпечення можливості достовірного відтворювання вихідного сигналу та збільшення зарядової ємності, між сусідніми вхідними комірками вставлено 3 додаткових розряди. Схема виготовлена за 2.5 мкм n-канальною ПЗЗ технологіїю з двома рівнями полікристалічного кремнію в якості затворів ПЗЗ. При перевірці працездатності схеми зчитування одна з головних проблем - це забезпечення можливості тестування кожного з елементів під`єднання фотодіодів, кожного стикуючого вузла. Без застосування зондового обладнання великої вартості це реалізується тільки при наявності спеціальних тестуючих елементів, вбудованних в інтегральну мікросхему зчитування.

Електрична схема тестуючих елементів, розроблених в рамках цієї роботи, надана на рис.6. Наявність таких елементів дозволяє перевірити кожну вхідну комірку, під'єднанням до виводу „вхідний струм” опору, значення якого залежить від кількості тестуючих комірок та величини вхідного струму, і поданям на вивід „тестуюча напруга” напруги, яка відкриває тестуючі транзистори. На рис.7 наведено експериментальні передавальні характеристики схеми зчитування 24144, зняті в різних режимах - лінійному, ділення (partition), віднімання (skimming). Лінійність передавальних характеристик доводить вірність спроектованих конструкцій вхідних пристроїв схеми зчитування.

За допомогою тестуючих транзисторів можливо здійснити також 100% відбір схем зчитування по такому важливому параметру, як напруга зміщення, прикладена до кожного ІЧ фотодіода.

Загальновідомо, що вольтамперні характеристики ІЧ КРТ фотодіодів мають обмежену (Uз = 100-200 мВ) полицю зворотнього струму.

Для забеспечення ідентичності характеристик фотодіодів, зворотнє зміщення на них не повинно відрізнятися більш ніж на 10 мВ. Прирівнюючи фотострум та темновий струм фотодіоду до струму, який протікає через транзистор прямої інжекції можна отримати залежність розкиду зміщення від розкиду ефективної порогової напруги МДП транзистора:

,

де UT,eff -розкид ефективної порогової напруги, US - розкид напруги зміщення, - динамічний опір фотодіоду, постійна , де n2, Itr - струм транзистора, T - температура.

Маючи вихідні напруги, виміряні по кожному з каналів мультиплексора (на рис.8 надано типову вихідну часову діаграму по одному з виходів мультиплексора схеми зчитування), вхідний струм, вимірений на вхідному опорі можемо прирівняти вхідний струм та струм, протікаючий через транзистор прямої інжекції, працюючий в підпороговому режимі та вирахувати розкид ефективної порогової напруги:

де індекс r позначає номер каналу. З наведеної формули видно, що виміри, які проводяться при кімнатній температурі, дозволяють прогнозувати параметри схем зчитування при кріогених температурах. На рис.8 приведено розраховані за вищезгаданою формулою, та виміряні вихідні напруги при температурі 77 К. Розрахункові результати відрізняються від експериментальних не більш ніж на 5%, що свідчить про придатність запропонованої в роботі методики відбору схем при кімнатній температурі. Експерементальні дослідження фотоприймального пристрою формату 22144 на базі схем зчитування, виготовлених за конструкцією та технологією, запропонованих в роботі, проведені Інститутом фізики напівпровідників Сибірського відділення АН Росії, дали високі результати по виявній здатності ФПП: D* = (9 - 18)1010 смГц1/2Вт1.

ВИСНОВКИ

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Розроблені елементи конструкції схеми зчитування на основі ПЗЗ для багатоелементних ІЧ фотоприймачів, проведено оптимізацію їх параметрів та технологій виготовлення, з метою їх використання для роботи при кріогенних температурах, що дозволило розробити і виготовити ряд кремнієвих мікросхем пристроїв зчитування, які забезпечують ефективну обробку сигналів навіть у випадку значних фонових засвіток та недосконалих ІЧ фотодіодів.

2. На основі проведених досліджень температурних залежностей ефективності переносу заряду у схемах з зануреним, напівзануреним та поверхневим каналами встановлено, що не дивлячись на меншу ефективність схем з поверхневим каналом при кімнатних температурах, їх доцільніше використовувати при кріогених температурах, що обумовлено меншим впливом домішкових центрів у таких каналах на процес захоплення носіїв заряду.

3. На основі встановлених температурних залежностей параметрів схем зчитування та параметрів КРТ-фотодіодів розроблені принципи тестування схем зчитування, запропоновані і виготовлені у складі мікросхеми тестуючи елементи та розроблено методики попереднього тестування і відбору схем зчитування на рівні кремнієвих пластин при кімнатних температурах, що дозволило забезпечити 100% відбір і прогнозування параметрів розроблених схем при кріогенних температурах.

4. Розроблені і виготовлені в дрібносерійному виробництві ПЗЗ схеми зчитування інформації з багатоелементних лінійок та матриць вузькощілиних фотодіодів КРТ форматів 2х64 та 4х288, які працюють при кріогенних температурах в умовах значних фонових навантажень, в яких враховано вплив введення додаткових елементів, які дозволяють в значній мірі розширити динамічний діапазон функціонування ФПП з ПЗЗ схемами зчитування за рахунок використання функцій ділення та віднімання.

Основні публікації по темі дисертаційної роботи

Darchuk S.D., Derkach Yu.P., Kononenko Yu.G., Petryakov V.A., Reva V.P., Sizov F.F., Tetyorkin V.V. // HgCdTe infrared linear arrays for 3-5 and 8-12 m wavelength regions // Proceed. SPIE. - 1995. . - Vol. 2648, p. 756-760.

Derkach Yu.P., Kononenko Yu.G., Reva V.P., Bobrishev V.D., Naumenko V.M. Differential potential CCD readout for infrared detectors // Intern. Conf. "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" - Uzhgorod (Ukraine). - 1996. - Abstract booklet, p. AP-33.

Darchuk S.D., Sizov F.F., Tetyorkin V.V., Reva V.P., Derkach Yu.P. Characterization of p-n-HgCdTe diffusion photodiodes and linear arrays with silicon CCD readout sircuits // Intern. Conf. "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" - Uzhgorod (Ukraine) - 1996, Abstract booklet, p. A-9.

Sizov F.F., Derkach Yu.P., Kononenko Yu.G., Reva V.P. Testing of readout device processing electronics for IR linear and focal plane arrays // Proceed. SPIE. - 1999. - Vol. 3436, p. 942-948.

Sizov F.F., Reva V.P., Derkach Yu.P., Kononenko Yu.G., Golenkov A.G., Korinets S.V., Darchuk S.D., Filenko D.A. IR sensor readout devices with source input// Semiconductpr Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 1999. - Vol. 2, N1, pp. 102-110.

Sizov F.F., Derkach Yu.P., Reva V.P., Kononenko Yu.G. MCT sensor readout devices with charge current injection and preliminary seagnal treatment // Testing procedure. Opto-Electronics Review. - 1999. - Vol. 7, N4, p. 327-338.

Рева В.П., Сизов Ф.Ф. Проблемы проектирования и изготовления схем считывания для многоэлементных ИК фотодиодов // XVI Межд. Научно-технич. Конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва - 2000. Тезисы докладов, с. 8-9.

Голенков А.Г., Дарчук С.Д., Деркач Ю.П., Коринец С.В., Рева В.П., Сизов Ф.Ф., Филенко Д.Д. Устройства считывания для многоэлементных фотодиодных линеек на ИК диапазон на основе CdHgTe // XVI Межд. Научно-технич. Конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва - 2000. Тезисы докладов, с. 15-16.

Vasil'ev V.V., Dvoretskii S.A., Esaev D.G., Zahariyash T.I., Klimenko A.G., Ovsyuk V.N., Sidorov Yu.G., Sizov F.F., Reva V.P., Derkach Yu.P., Korionets S.G., Golenkov A.G., Darchuk S.D., Zabudskii V.V. 2x64 linear LWIR arrays on the base of HgCdTe MBE grown layers and CCD silicon readouts. // 5th Int. Conf. "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics", Kiev (Ukraine) . - 2000, Abstract booklet, p. 17.

Sizov F.F., Vasil'ev V.V., Esaev D.G., Ovsyuk V.N., Sidorov Y.G., Reva V.P., Golenkov A.G., Derkach Y.P. Properties of 264 linear HgCdTe molecular beam epitaxy grown long wavelength infra-red arrays with charged coupled devices silicon readouts // Sensors and Materials. - 2000. - Vol. 12, N 7 p. 435-444.

Vasil'ev V.V., Dvoretskii S.A., Esaev D.G., Zahariyash T.I., Klimenko A.G., Ovsyuk V.N., Sidorov Yu.G., Sizov F.F., Reva V.P., Derkach Yu.P., Korionets S.G., Golenkov A.G., Darchuk S.D., Zabudskii V.V. 2x64 linear LWIR arrays on the base of HgCdTe MBE grown layers and CCD silicon readouts // Proceed. SPIE. 2000. - Vol. 4355, p. 48-55.

Sizov F.F., Vasil'ev V.V., Esaev D.G., Ovsyuk V.N., Sidorov Y.G., Reva V.P., Golenkov A.G., Zabudskii V.V., and Gumenuk-Sychevskaya J.V. HgCdTe MBE grown LWIR linear arrays // Opto-Electronics Review. - 2001. - Vol. 9, c. 391-396.

В. П. Рева, Ф. Ф. Сизов. Устройства считывания для многоэлементных ИК фотодиодов // Прикладная физика. - 2002. . - №1, с. 82-100.

Sizov F.F., Vasil'ev V.V., Esaev D.G., Ovsyuk V.N., Sidorov Yu.G., Reva V.P., Derkach Yu.P., Golenkov A.G., Gumenjuk-Sychevskaya J.V. Properties of 2x64 linear HgCdTe MBE grown LWIR arrays with CCD silicon readouts // Proceed. SPIE. - 2001. - Vol. 4288, p. 345-353.

Деркач Ю.П., Рева В.П., Сизов Ф.Ф. “Смешанная” концепция построения схем считывания для фокальных процессоров с ВЗН и деселекцией элементов // XVII Межд. научно-техн. конф. по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва. - 2002. . - Тезисы докладов, с. 88.

Васильев В.В., Голенков А.Г., Дворецкий С.А., Есаев Д.Г., Захарьяш Т.И., Клименко А.Г., Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Рева В.П., Сидоров Ю.Г., Сизов Ф.Ф., Сусляков А.О., Талипов Н.Х. Фотоприемники на основе гетероэпитаксиальных слоев CdHgTe для среднего и дальнего ИК-диапазонов // Микроэлектроника. - Vol. 2002. . - 31, с. 414-422.

інфрачервоний спектр прийом сигнал

АНОТАЦІЯ

Рева В. П. „Прилади з зарядовим зв`язком у застосуванні до пристроїв зчитування з багатоелементних ІЧ фотоприймачів”. . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. . - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2003.

Дисертація, основні матеріали якої опубліковані у 10 статтях, та 6 тезах доповідей наукових конференцій, присвячена проблемам прийому і обробки сигналів в інфрачервоній (ІЧ) частині спектру з великою роздільною здатністю чутливістю в реальному масштабі часу, аналізі шляхів побудови та розробці конструкцій високонадійних пристроїв зчитування інформації у фокальній площині з багатоєлементних ІЧ фотоприймачів, для забезпечення функцій прийому сигналу, конверсії заряду у напругу, накопичення, підсилення, мультеплексування та ін., які, до того ж, повинні ефективно працювати при кріогенних температурах. Запропоновано шляхі оптимізаціх технологічного процесу виготовлення схем зчитування на основі ПЗЗ з багатоелементних інфрачервонних фотоприймачів, працюючих при кріогених температурах. Розроблені та опробовані вхідні каскади великой зарядової спроможності для схем зчитування на основі ПЗЗ з багатоелементних інфрачервонних фотоприймачів в умовах значних фонових випромінювань. Запропоновано застосування тестуючих елементів безпосередньо у мікросхемах, що дозволяють проводити відбір придатних кристалів схем зчитування на основі ПЗЗ на пластинах без застосування високовартностної багатоконтактної зондової техніки в області кімнатних температурах, що дозволяє прогнозувати параметри схех зчитування, що працюють при кріогенних температурах. Вперше в Україні розроблено та освоено в дрібносерійному виробництві в Інституті мікроприладів, м. Киів, схеми зчитування на основі ПЗЗ з багатоелементних інфрачервоних вузькощілинних фотодіодів формату 2х32, 2х64, 4х288, працюючих при кріогенних температурах.

Ключові слова: Прилади з зарядовим зв`язком, схеми зчитування, багатоелементні інфрачервоні фотоприймачі, великі інтегральні схеми, тестуючі елементи, вхідні каскади.

АННОТАЦИЯ

Рева В. П. „Приборы с зарядовой связью в применении к устройствам считывания с многоэлементных ИК фотоприемников”. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация, основные материалы которой опубликованы в 10 статьях, 6 тезисах научных конференций, посвящена проблемам приема и обработки сигналов в инфракрасной (ИК) области спектра, анализу путей построения и разработке конструкций высоконадежных устройств считывания информации с многоэлементных ИК фотоприемников с большой разрешающей способностью, работающих в реальном масштабе времени, для обеспечения функций приема сигнала, конверсии заряда в напряжение, накопления, усиления, мультиплексирования и др. Такие устройства считывания, расположенные в фокальной плоскости, должны эффективно работать при криогенных температурах. Рассмотрены особенности детектирования ИК излучения, проведены расчеты предельно достижимых параметров фотоприемных устройств (ФПУ) ИК диапазона с учетом фонового излучения и параметров ИК фотодиодов. Проведен анализ архитектур схем считывания, показано, что ПЗС архитектура имеет преимущества по обеспечению полной синхронизации и обеспечению одинакового времени интегрирования для всех пикселей. Разработаны и опробованы входные каскады большой зарядовой емкости для схем считывания на основе ПЗС с многоэлементных инфракрасных фотоприемников, работающих в условиях значительных фоновых нагрузок. Показано, что предложенные входные каскады значительно расширяют динамический диапазон работы схем считывания, и при достаточной фильтрации используемых постоянных напряжений увеличивают суммарный шум не более чем на 5%. Проведены исследования температурной зависимости неэффективности переноса заряда для различных конструкций приборов с зарядовой связью (ПЗС). Показана целесообразность использования ПЗС с поверхностным и полускрытым каналом, как имеющих меньшую зависимость неэффективности переноса заряда от температуры, для работы при криогенных температурах. Разработаны оптимальные конструкции и технология изготовления ПЗС для работы при криогенных температурах. Предложены и использованы методики измерений и тестирующие элементы, являющиеся элементами микросхем, которые позволяют проводить отбор годных кристаллов схем считывания на основе ПЗС на пластинах без применения дорогостоящей многоконтактной зондовой техники в области комнатных температур. Разработанная методика измерения параметров схем считывания, использующая тестирующие каскады, позволяет прогнозировать параметры схем считывания и ФПУ в целом при криогенных температурах. Впервые в Украине разработаны и освоены в мелкосерийном производстве на базе НИИ микроприборов, г. Киев, схемы считывания на основе ПЗС с многоэлементных инфракрасных узкозонных фотодиодов формата 2х32, 2х64,4х288, работающих при криогенных температурах.

Ключевые слова: Приборы с зарядовой связью, схемы считывания, многоэлементные инфракрасные фотоприемники, большие интегральные схемы, тестирующие элементы, входные каскады

SUMMARY

Reva V. P. „Charge coupled devices in application to read-out devices of IR photodetectors”. - Manuscript. The Ph.D. thesis for competition of scientific degree of candidate of science in engineering by speciality 05.27.06 - technology, equipment and production of electronics.- Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

The dissertation, the principal results of which are published in 10 papers, 6 Abstracts of the scientific Conferences, is devoted to the problems of signals receiving and their treatment in infrared (IR) region with large resolution in real time scale. It is also devoted to the analyses of formation route and design of highly reliable readout devices and preliminary information treatment of information in the focal plane from multielement IR photodetectors (the so called “focal processors”) directly near the linear or matrix arrays. The readout devices are used for providing of signal receiving functions, charge conversion into the voltage, accumulation, amplification, multiplexion, etc. They should, in addition, effectively operate at cryogenic temperatures. There were worked out and tested the input stages of large charge handling capacity for readout devices on the CCD base from infrared photodetectors, operating at large background fluxes. There were proposed and used the testing elements, which are the elements of circuits, and which allow to carry out the selection of non-defective CCD based readouts on the wafer level without using highly cost multicontact probe system at room temperature conditions, which allows to preview the readout circuits parameters at cryogenic temperatures. For the first time in Ukraine were designed and manufactured in small quantities at the Institute of Microstructures (Kiev) the readout devices on the CCD base from multielement infrared narrow-gap photodiodes of 264, 4288 formats, operating at cryogenic temperatures.

Key words: Charge coupled devices, readout devices, multielement infrared photodetectors, large-scale integration circuits, testing elements, input stages.

Размещено на Allbest.ru