Cистемы считывания для многоэлементных ИК ФПУ третьего поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Cистемы считывания для многоэлементных ИК ФПУ третьего поколения

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах;

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ли Ирлам Игнатьевич

Новосибирск-2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, c.н.с. Курышев Георгий Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, Войцеховский Александр Васильевич

доктор физико-математических наук, с.н.с. Климов Александр Эдуардович

доктор технических наук, профессор Таубкин Игорь Исаакович

Ведущая организация: ФГУП “НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «___» 2010 года в «____» часов на заседании диссертационного совета Д212.173.03 при Новосибирском техническом университете по адресу: 630092, Новосибирск, пр.К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___» ___________ 2010 года.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Любимский В.М.

инфракрасный фотоприемный тепловизионный считывание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Задачи по созданию фотоприемников, чувствительных к излучению в инфракрасном (ИК) диапазоне, с момента открытия Гершелем инфракрасного излучения в 1800 году решаются уже более двух столетий, и с тех пор объем исследований в этой области непрерывно возрастает. В 80-90 годы прошлого столетия были решены основные технологические и схемотехнические проблемы создания многоэлементных ИК фотоприемных устройств (ИК ФПУ) второго поколения, заключающиеся в реализации многоэлементных ИК фотоприемников с обнаружительной способностью, ограниченной флуктуациями фонового излучения (режим ОФ) и достижении пространственного и временного разрешения, сопоставимого с телевизионным стандартом [1]. Налажено производство линейчатых ИК ФПУ различных форматов до 1х1500, в том числе, с режимом временной задержки и накопления (ВЗН) форматов 288х4, 480х6, матричных ИК ФПУ вплоть до 2048х2048 элементов [1, 2]. Производство тепловизионных систем стало одним из самых динамичных секторов электронной промышленности. Прогресс в области многоэлементных ИК ФПУ позволил тепловизионным методикам, ранее применявшимся в основном в интересах оборонной техники, найти широкое применение в промышленности, медицине, научных исследованиях.

В настоящее время ведутся разработки ИК ФПУ следующего, третьего поколения. К числу приоритетных задач относится совершенствование мультиспектральных ИК ФПУ. Регистрация объектов одновременно в нескольких спектральных диапазонах позволит существенно повысить вероятность обнаружения и идентификации объектов. Значительные усилия направлены на освоение технологий выращивания на кремниевой пластине с изготовленными устройствами считывания эпитаксиальных слоев узкозонных полупроводниковых материалов, многослойных структур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, InAs/GaInSb, что позволит избежать дорогостоящей операции гибридной сборки и повысить надежность ИК ФПУ.

Многие исследователи подчеркивают, что функциональные возможности, массогабаритные характеристики, энергопотребление и стоимость тепловизионных систем третьего поколения главным образом будут определяться кремниевыми системами считывания. Сложность задач, налагаемых на кремниевые устройства, во многом обусловлены низкой контрастностью изображения в ИК диапазоне. Так в спектральном диапазоне 8-14 мкм контрастность изображения при комнатной температуре фона составляет всего ~0.1% при разности температур сцены ~ 1 К. Неоднородность параметров многоэлементных ИК фотоприемников, передаточных характеристик многоканальных устройств считывания приводит к значительно большему, по сравнению с информационными компонентами разбросу сигналов. Повышаются, по сравнению с ФПУ видимого диапазона, требования к временной стабильности всех компонент ИК ФПУ. Поэтому необходима предварительная, предпроцессорная обработка фотосигналов (формирование ИК видеосигналов) и периодическая калибровка фотосигналов по эталонному источнику ИК излучения. Системы формирования ИК видеосигналов, калибровки, охлаждения фоточувствительного модуля ИК ФПУ до криогенных температур во многом определяют массогабаритные характеристики, потребляемую мощность и стоимость тепловизионных систем.

Выделим ряд нерешенных проблем многоэлементных ИК ФПУ.

1. Современные кремниевые устройства считывания обеспечивают не только считывание сигналов с многоэлементных ИК фотоприемников и их передачу на ограниченное количество внешних выходов, но и решают все более широкий круг задач. Уже сейчас становится стандартной структура устройств считывания с «командным» регистром, обеспечивающая возможность оперативно изменять режимы работы ИК ФПУ, такие как выбор произвольного окна - «оконный режим», изменение времени накопления, кадровой частоты. Для многоэлементных ИК ФПУ, также как и для любых развивающихся функциональных устройств, после достижения определенного уровня (второе поколение ИК ФПУ), основной задачей становится создание интегрированных функционально полных систем. Для ИК ФПУ понятие функционально полной системы включает формирование ИК видеосигналов и решение части задач по обработке сигналов, таких как распознавание образов и т. д. В тепловизионных системах третьего поколения эти задачи должны решаться кремниевыми устройствами (системами), интегрированными с устройствами считывания в фокальной плоскости ИК ФПУ. Разработка системных и схемотехнических решений обработки в режиме реального времени огромных массивов информации с многоэлементных ИК фотоприемников является самостоятельным научно - техническим направлением.

Попытки создать устройства начальной предпроцессорной обработки сигналов, интегрированных с устройствами считывания, начались практически одновременно с разработкой многоэлементных ИК ФПУ, однако решить эти проблемы не удалось и, до сих пор, формирование ИК видеосигналов и начальная обработка видеоизображений осуществляется во внешних устройствах вне фокальной плоскости ИК ФПУ.

2. В важнейшем для ИК ФПУ спектральном диапазоне 8-14 мкм преимущественно применяются устройства ввода с прямой инжекцией заряда (ПИ). Однако анализ этой системы до наших работ ограничивался качественными оценками, не позволяющих выявить основные факторы, лимитирующие параметры ИК ФПУ на их основе. Одной из немногих, нерешенных проблем матричных ИК ФПУ второго поколения является ограничения зарядовой емкости устройств считывания [4]. Зарядовая емкость существующих устройств считывания позволяет использовать всего несколько процентов от информационного сигнала и, поэтому, температурное разрешение тепловизионных систем (NETD) более чем на порядок величины хуже теоретического предела.

3. В 70-80 годах XX века интенсивно велись исследования МДП структур на узкозонных полупроводниковых материалах. Интерес к МДП структурам объяснялся стремлением разработать многоэлементные ИК ФПУ на приборах с зарядовой связью (ПЗС), приборах с инжекцией заряда (ПЗИ), аналогичные кремниевым многоэлементным ФПУ видимого диапазона [3]. Позднее, с освоением гибридной сборки на индиевых микростолбах, основные усилия были направлены на реализацию на основе ИК фотодиодов гибридных ИК ФПУ. В ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН продолжались комплексные работы по исследованию InAs МДП структур и, на их основе удалось реализовать гибридные многоэлементные ИК ФПУ.

Еще в 80 годы проблемы связанные с разработкой кремниевых систем считывания оценены следующим образом: “Съем и параллельная обработка одновременно генерируемых фотодетекторами сигналов является главной трудностью реализации больших мозаик фотодатчиков” [5]. Эта оценка роли устройств считывания остается справедливой и в настоящее время [6] и подчеркивает актуальность решаемых в диссертационной работе задач.

Целью диссертационной работы является разработка структурных и схемотехнических решений построения устройств (систем) считывания, решающих ключевые проблемы развития многоэлементных ИК ФПУ третьего поколения.

Поставленная цель предусматривает решение следующих основных задач:

- разработка структурных и схемотехнических принципов построения многоканальных устройств (систем) интегрированных с устройствами считывания, позволяющих формировать ИК видеосигналы и обрабатывать видеоизображения в фокальной плоскости ФПУ;

- улучшение температурного разрешения тепловизионных систем в спектральном диапазоне 8-14 мкм. Для этого необходимо разработать математические модели и методики анализа основной для многоэлементных ИК ФПУ длинноволнового диапазона системы считывания: фотодиод - устройство считывания с прямой инжекцией заряда. Найти схемотехнические решения позволяющие увеличить зарядовую емкость устройств считывания не менее чем в 6-10 раз по сравнению с зарядовой емкостью существующих устройств считывания. Такие устройства считывания позволят полнее использовать падающую на фотоприемники в длинноволновом диапазоне оптическую информацию и в корень квадратный из отношения зарядовых емкостей улучшить NETD тепловизионных систем в спектральном диапазоне 8-14 мкм;

- разработка устройств считывания для многоэлементных гибридных ИК ФПУ на основе ПЗИ элементов, позволяющих создавать многоэлементные ИК ФПУ на основе InAs, InSb ПЗИ элементов. Реализация различных тепловизионных систем на основе ПЗИ элементов с предельной чувствительностью, близкой к режиму ограничения флуктуациями фонового излучения (на уровне лучших мировых аналогов).

Объекты и методы исследования. Основным объектом исследований являются кремниевые устройства считывания, многоэлементные ИК ФПУ. Математическое моделирование устройств считывания, многоэлементных ИК ФПУ, экспериментальные исследования фотоэлектрических параметров ИК ФПУ.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель системы ИК фотодиод - ПИ, в которой расчет величины шумового заряда Q(t), интегрируемого устройством считывания с помощью функции Макдональда проводится в терминах спектральной плотности S_i(щ) [7]. При этом решается самосогласованная задача для тока фотодиода и тока, интегрируемого в устройстве считывания. Модель позволяет проводить полномасштабное численное моделирование системы, формулировать оптимальные требования к конструктивным и электрофизическим параметрам устройств считывания, ИК фотодиодам, необходимые для достижения проектных характеристик.

2. Предложены структурные и схемотехнические решения построения устройств (систем), обеспечивающих формирование ИК видеосигналов и частично процессорную обработку сигналов в фокальной плоскости ИК ФПУ в аналоговой и цифровой форме:

- многоканальных устройств, обеспечивающих вычитание аддитивных неинформационных компонент сигналов, обусловленных неоднородностью фотоэлектрических параметров приемников, передаточных характеристик устройств считывания и повышение контрастности ИК изображения;

- адаптивных устройств предпроцессорной обработки сигналов, обеспечивающих не только вычитание аддитивных, неинформационных компонент сигналов, но и возможность устранения временного дрейфа этих параметров.

3. Предложены схемотехнические решения построения устройств считывания линейчатых и матричных типов для гибридных ИК ФПУ на основе ПЗИ элементов.

4. Развит метод для определения времени жизни неосновных носителей заряда из анализа временных зависимостей процесса состоящего из инжекции и обратного собирания носителей заряда в инверсионный слой МДП емкости.

Практическая значимость и реализация результатов. Работа выполнялась в соответствии с программой основных научных направлений ИФП СО РАН, пункт 9.1.2. «Исследования фотоэлектрических свойств гетероструктур на основе МЛЭ КРТ, квантово-размерных слоев на основе А₃B₅, легированных пленок PbSnTe и термоэлектрических свойств оксидов с целью разработки и создания многоэлементных ИК-фотоприемных устройств нового поколения». Основные результаты диссертационной работы получены за период с 1980 по 2008 годы при выполнении НИР, ОКР и изложены в более чем 20 научно-технических отчетах.

Системные и схемотехнические решения для устройств считывания, устройств предпроцессорной обработки фотосигналов, оптимизация топологии фотоприемных элементов и облика ИК ФПУ в целом позволили разработать, спроектировать и изготовить устройства считывания для многоэлементных ИК ФПУ различных форматов и реализовать ряд тепловизионных систем на их основе.

1. Устройство считывания с ПИ для двухмерных ИК ФПУ, отличительной особенностью которого является структура устройств считывания в виде фрагментов 2х2 элемента. Такая организация входных устройств обеспечивает зарядовую емкость ~ 2-5·10⁸ электронов, что в 6-10 раз больше зарядовой емкости существующих устройств считывания. На его основе создан экспериментальный образец ИК ФПУ формата 128х128

2. Впервые реализовано многоэлементное ИК ФПУ с интегрированными с устройствами считывания устройствами предпроцессорной обработки сигналов обеспечивающие вычитание аддитивных неинформационных компонент фотосигналов. ИК ФПУ с InSb МДП фотоприемниками имеет обнаружительную способность близкую к режиму ОФ и создан динамический ИК спектрометр со временем регистрации спектров ~ 100 мкс.

3. Разработано устройство считывания для пеленгации импульсных сигналов. Реализовано ИК ФПУ формата 8х8 элементов и макет лазерного пеленгатора для регистрации времени поступления и координаты отраженных от объекта ИК сигналов.

4. Разработаны схемотехнические решения и созданы опытные образцы адаптивных многовходовых устройств предпроцессорной обработки сигналов в аналоговой и цифровой форме в интегральном исполнении с устройствами считывания. Данные устройства кроме вычитания неинформационных компонент сигналов являются фильтром высоких частот позволяющим регулировать в широких пределах полосу пропускания индивидуально для каждого фотоприемного канала, что позволяет решить проблему временного дрейфа параметров всех компонент ИК ФПУ.

5. Созданы устройства считывания с накоплением фотосигналов в ПЗИ элементе линейчатого формата 2х192, матричных форматов 128х128, 256х256 позволившие:

- реализовать гибридные ИК ФПУ на основе InAs ПЗИ элементов форматов 128х128, 256х256 и линейчатых формата 2х192;

- наладить опытное производство тепловизионных и спектрометрических систем различного назначения - тепловизора ТКВр-ИФП “СВИТ”, ИК микроскопа, быстродействующего ИК спектрометра DIMS-384. Основные параметры этих приборов соответствуют или превышают мировой уровень.

В приложении приведены акты об использовании результатов работы, подтверждающие ее практическую значимость. Тепловизор ТКВр-ИФП “СВИТ” применяется в медицинских центрах, поликлиниках как в России, так и за рубежом. Такими системами на основе InAs ПЗИ элементов (тепловизоры, динамические ИК спектрометры, ИК микроскопы) оснащены многие научные учреждения, в том числе ИТ СО РАН, ИЯФ СО РАН, ИТПМ СО РАН, Московский Государственный университет, ИК СО РАН и более 25 других организаций.

На защиту выносятся:

1. Схемотехнические решения, проекты и образцы устройств предпроцессорной обработки сигналов интегрированные с устройствами считывания, приборы на их основе:

- устройство предпроцессорной обработки фотосигналов формата 1х64 обеспечивающее подавление аддитивный неинформационных компонент сигналов. Это устройство позволило впервые реализовать быстродействующий ИК спектрометр на основе InSb ПЗИ элементами с временем дискредитации 100 мкс;

- адаптивные устройства предпроцессорной обработки, обеспечивающие формирование ИК видеосигналов в условиях временного изменения (дрейфа) фотоэлектрических параметров фотоприемников, устройств считывания;

- устройство считывания для гибридного модуля формата 8х8. Встроенный в устройство считывания RC фильтр с использованием емкости InAs ПЗИ фоточувствительного приемника обеспечил регистрацию координаты импульсных оптических сигналов с пороговой энергией ~ 8·10^-17 Дж/элемент и времени прихода с точностью не хуже 100 нс .

2. Математическая модель, методики анализа системы фотодиод-устройство ввода с прямой инжекцией заряда дают возможность проводить численное моделирование многоэлементных ИК ФПУ, определить требования к конструктивным и фотоэлектрическим параметрам системы, необходимые для достижения проектных заданий. Проект и опытный образец устройств считывания с фрагментной организацией формата 2х2 элемента входных устройств с увеличенной зарядовой емкостью.

3. Схемотехнические решения, проекты и промышленные образцы устройств считывания с ПЗИ элементов для многоэлементных ИК ФПУ, в частности:

- устройства считывания для линейчатого гибридного модуля формата 2х192.

- устройства считывания для матричных гибридных модулей форматов 128х128, 256х256, ИК ФПУ различного назначения на их основе;

Все разработанные устройства, способы считывания основаны на оригинальных схемотехнических решениях и защищены 27 Авторскими свидетельствами СССР или патентами РФ.

Личный вклад автора. Автор диссертации был ответственным исполнителем научно - исследовательских и опытно-конструкторских работ в период 1979-1992 годы. В этот период были выполнены начальные работы по разработке устройств считывания с элементами предпроцессорной обработки фотосигналов. В период с 1992-2008 годы были разработаны устройства считывания для матричных и линейчатых многоэлементных ИК ФПУ на основе InAs ПЗИ элементов. Автор обосновал применение ПЗИ элементов в коротковолновом диапазоне до 3-3.5 мкм. Разработал топологии кристаллов фотоприемных элементов, принципиальные схемы, проекты кристаллов устройств считывания и конструкцию гибридных модулей для линейчатых ИК ФПУ форматов 2х192 элементов, гибридного модуля пеленгатора формата 8х8, матричных устройств считывания форматов 128х128, 256х256 элементов. Принимал участие в исследованиях ИК ФПУ на их основе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на конференции “Физические проблемы МДП-интегральной электроники” (Севастополь, 1982 г), на межведомственном совещании по проблеме цифровой обработки информации (Москва, НИИ прикладной физики, январь 1985 г.), на “XVII международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения”, 27-31 мая 2002 г., Москва, на “XIX международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения”, 23-26 мая 2006 г., Москва, на 9 международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V», 3-5 октября 2006 г, Томск, на “VIII российской конференции по физике полупроводников”, Екатеринбург, 30 сентября -5 октября 2007 г, приглашенные доклады на “XX международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения”, 27-30 мая 2008 г., Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, включая 18 авторских свидетельств CCCР (17 в соавторстве), 9 патентов РФ (3 в соавторстве), 21 статье (16 в соавторстве), опубликованных в ведущих рецензируемых отечественных и международных журналах, в том числе 18 статей в рекомендованных ВАК РФ, в коллективной монографии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 316 страницы, включая 136 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 339 наименований, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы исследований, сформулирована цель работы, изложена научная новизна работы, практическая и научная значимость проведенных исследований, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ современного состояния и перспективы развития многоэлементных ИК ФПУ. Основное внимание уделено вопросам, рассматриваемым в диссертационной работе:

- современному состоянию в области разработок кремниевых устройств считывания многоэлементных ИК ФПУ;

- построению многовходовых устройств предпроцессорной обработки фотосигналов интегрированных с устройствами считывания;

- кратко рассмотрены принцип работы ПЗИ элементов и основные фотоэлектрические характеристики МДП структур на арсениде индия. Приводится описание методов определения объемного времени жизни из анализа релаксации емкости в режиме неравновесного обеднения.

Вторая глава посвящена анализу системы: ИК фотодиод-ПИ, многоэлементных ИК ФПУ и тепловизионных систем на их основе. Анализ системы проводится как для “классической” модели фотодиода когда ток фотодиода представлен в виде I_ФД=з_к I_Ф+ I₀[1-exp(-вV_ФД)], где з_к - квантовая эффективность фотодиода, I₀ - ток насыщения фотодиода, R_Р - шунтирующее сопротивление фотодиода, так и для более точных моделей Hg_1-xCd_xTe фотодиодов, которые при соответствующем выборе электрофизических параметров модель обеспечивают построение ВАХ в зависимости от стехиометрического состава Hg_1-xCd_xTe фотодиодов и температуры с привязкой к электрофизическим параметрам материала подложки и технологии получения фотодиодов. Модель и программа расчета ВАХ Hg_1-xCd_xTe фотодиодов, любезно предоставленна Ж.В. Гюменюк-Сычевской. Также представлен анализ системы на базе семейств экспериментальных вольт-амперных характеристик Hg_1-xCd_xTe фотодиодов.

Расчет шумов системы ИК фотодиод-ПИ проводится с помощью функции Макдональда в терминах спектральной плотности S_i(щ) [7]:

где

Первое и второе слагаемое описывают токовый шум и шум типа 1/f входного МДП транзистора, B_Вх = KI_Вх²/WL(C_ОХ+С_Д^*)² . Третье и четвертое слагаемое токовый шум и шум типа 1/f фотодиода, B_ФД=2рб₃²(I_ФД- з_КI_Ф)², W, L -ширина и длина канала входного МДП транзистора устройства ввода, б₁, К, б₂, б₃ - численные коэффициенты, g_Вх -проводимость канала под входным затвором, R_ФД - динамическое сопротивление фотодиода, I_Ф - ток обусловленный фоновым излучением, I_ФД - ток фотодиода, з_I - коэффициент ввода тока, I_Вх - ток интегрируемый в устройстве считывания.

Расчет начинается с задания электрофизических и конструктивных параметров фотодиодов, устройств считывания, расчета уровня фонового излучения и условий работы ИК ФПУ. При заданном напряжении на входном затворе V_G, вычисляются значения токов I_Вх, I_ФД. Напряжение на фотодиоде определяется из условия равенства токов I_Вх = I_ФД. Решение самосогласованной задачи для токов I_Вх , I_ФД, детальный расчет основных источников шума системы дает возможность получить все основные параметры системы в зависимости от V_G .

Температурное разрешение рассчитывается по соотношению [4]:



,

где F_Р/f -относительное отверстие оптики, dR/dл -спектральная энергетическая светимость черного тела, Г_опт -оптическое пропускание системы, S(л)-коэффициент пропускания атмосферы, л₁ л₂ - спектральный диапазон.

Расчеты показывают, что при g_ВхR_ФД >100, систему фотодиод-ПИ можно назвать “идеальной”. Для “идеальной” системы при возрастании напряжения V_G, когда напряжение на фотодиоде приближается к ~ 0 В, ?_I достигает величины близкой к единице, ток интегрируемый в устройстве считывания I_Вх ? ·I_ФД, а D* ограничивается токовым шумом фотодиода (Q₃) и совпадает с теоретическим пределом (режим ОФ). С последующим возрастанием V_G для “идеальной” системы основные параметры фотоприемного канала ?_I, I_Вх D^* практически не зависят от V_G, электрофизических и конструктивных параметров устройств считывания. Для Hg_1-xCd_xTe фотодиодов (при принятых при расчетах электрофизических и конструктивных параметрах системы, типичных для Hg_1-xCd_xTe фотодиодов и устройств считывания) это условие выполняется до л₂ ? 10 - 11 мкм. В этом случае для оценки параметров ИК ФПУ на основе ПИ вполне достаточно общепринятых упрощений [1].

Рис. 1 Зависимости D*(V_G), (правая ось) и зависимости Q₁(V_G), Q₂(V_G), Q₃(V_G), Q₄(V_G) - тепловые шумы и шумы типа 1/f входного МДП транзистора тепловые шумы и шумы типа 1/f фотодиода соответственно, Q₅(V_G) = УQ_i(V_G), (левая ось), температура 77 К, зарядовая емкость устройства считывания Q_ЗН=5·10⁷ электронов

Для фотодиодов с л₂ ? 12 мкм характер зависимостей I_Вх (V_G), D*(V_G) существенно меняется. Ток I_Вх возрастает с увеличением V_G, а зависимости D*(V_G) имеют хорошо выраженный максимум, который достигается при напряжениях V_G0, при котором фотодиод смещен на в обратном направлении на 5-30 мВ. Для Hg_1-xCd_xTe фотодиодов с л₂ = 13 мкм (рис.1) значение D* в максимуме равно 4.9·10¹⁰ см·Гц^1/2·Вт^-1, тогда как в режиме ОФ D_ОФ*?1.74·10¹¹ см·Гц^1/2·Вт^-1. Для “неидеальных” систем возрастание шума и, соответственно, снижение D* определяется главным образом ростом шума фотодиода типа 1/f - Q₄, (кривая 4 на рис.1). Знание зависимостей основных шумовых компонент дает дополнительные возможности для оптимизации электрофизических параметров фотодиодов и технологии изготовления фотоприемников.

Рис.2 Расчетные зависимости NETD(л₂). При расчетах принято F_p/f= 0.5, л₁ =5 мкм, А_ФД =9·10^-5 см², кривая 1 при D^* = D_ОФ^*, Т_н=20 мс, 2, 3- получены с учетом зависимости D^* фотоприемного канала со считыванием сигналов в ПИ устройство считывания, Т_н=20 мс, кривые 4-7 получены при условии ограниченной зарядовой емкости кремниевого устройства считывания, для кривых 4, 5 Q_ЗН = 5 10⁷ электронов, для кривых 6, 7 Q_ЗН = 3 10⁸ электронов, кривые 2, 4, 6 при температуре 60 К, кривые 3, 5, 7 при температуре 77 К

На рис.2. приведены расчетные зависимости NETD(л₂) тепловизионных систем на основе Hg_1-xCd_xTe фотодиодов и кремниевыми ПИ устройствами считывания. Для “идеальной” тепловизионной системы, в которой D^* всех фотоприемных каналов многоэлементных ИК ФПУ близка к D_ОФ*, а время накопления равно времени кадра (в нашем случае Т_н=20 мс), получаем известные зависимости, когда NETD(л₂) улучшается с увеличением л₂ (кривая 1) [4]. Обнаружительная способность фотоприемных каналов многоэлементных ИК ФПУ на основе системы Hg_1-xCd_xTe фотодиод-ПИ с увеличением л₂, становится ниже D_ОФ^*(л₂) и, поэтому, NETD(л₂) c увеличением л₂ достигает максимума, а затем ухудшается (кривые 2, 3). Однако основным фактором, определяющим NETD является Q_ЗН - зарядовая емкость кремниевых устройств считывания (кривые 4-7). В главе также приводятся расчетные зависимости NETD(л₂) с учетом коэффициента пропускания атмосферы.

Зависимости NETD(л₂), приведенные на рис. 2 (при принятых в расчетах параметрах электрофизических параметрах Hg_1-xCd_xTe фотодиодов), характеризуют предельные возможности тепловизионных систем. При их построении использовались значения D^*(V_G) в максимуме (рис.1). Для многоэлементных ИК ФПУ неоднородность пороговых напряжений приводит к разбросу напряжений смещения на фотодиоде и, как следствие, к изменению передаточных характеристик в системе фотодиод-ПИ и появлению “геометрического” шума, а для части фотоприемных каналов, к значительному снижению обнаружительной способности, ухудшению NETD тепловизионных систем, по сравнению с расчетными зависимостями на рис. 2. Другой причиной возрастания уровня “геометрического” шума и снижения D^* является неоднородность стехиометрического состава подложки Hg_1-xCd_xTe фотодиодов.

При оценках неоднородностей фотоприемных каналов многоэлементных ИК ФПУ считается, что разброс пороговых напряжений и неоднородность стехиометрического состава подложки описываются нормальным распределением. Уровень фототока рассчитывался с учетом длинноволновой границы фоточувствительности индивидуально для каждого фотодиода. Время накопления определялось зарядовой емкостью устройства считывания и максимальным уровнем тока фотодиодов (выборка из 200 реализаций). Так, для многоэлементных ИК ФПУ с л₂=11 мкм, дисперсии пороговых напряжений у(V_пор) = 5мВ, стехиометрического состава у(х) = 0.1%, разброс значений NETD будет лежать в пределах от 11 до 18 мК, при Т=77 К, тогда как для единичного канала NETD равно 10.8 мК (рис.2, кривая 5). В спектральном диапазоне с л₂ ? 10-11 мкм D^*(V_G) относительно слабо зависит от напряжения смещения V_G и, поэтому, основной причиной ухудшения NETD является неоднородность стехиометрического состава подложки. При х=0.2168 и у(х) = 0.1% разброс длинноволновой границы фоточувствительности составит от 11 до 11.8 мкм.

С увеличением длинноволновой границы фоточувствительности требования к однородности пороговых напряжений под входными затворами устройств считывания и к однородности стехиометрического состава подложки Hg_1-xCd_xTe фотодиодов возрастают. Для примера на рис. 3 приведены гистограммы NETD тепловизионных систем на основе многоэлементных ИК ФПУ с л₂?12 мкм, при Т=77 К и оптимальном для данных параметров напряжении V_G=1.235 В. Среднее значение стехиометрического состава х=0.2105, при у(х) = 0.1%, приводит к разбросу длинноволновой границы фоточувствительности в диапазоне от 12 до 13.2 мкм. Как видно на рис. 3 неоднородность пороговых напряжений, стехиометрического состава подложки приводят к двух-трех кратному ухудшению температурного разрешения тепловизионных систем (для единичного канала с л₂=12 мкм NETD=23 мК, кривая 5 на рис.2).

Рис.3 Расчетные гистограммы NETD. Дисперсия пороговых напряжений входного МДП транзистора у(V_пор) = 5мВ, стехиометрического состава Hg_1-xCd_xTe подложки с у(х) = 0.1%, Q_ЗН=5·10⁷ электронов



При более жестких требованиях к у(V_пор) = 2 мВ и у(х) = 0.03% NETD тепловизионных систем с л₂ =12 мкм будет в пределах 24 - 28 мК. При необходимости обеспечить спектральную чувствительность с л₂ ?12.5-13 мкм и температуре 77 К требования по однородности пороговых напряжений и стехиометрического состава подложки Hg_1-xCd_xTe фотодиодов выходят за достигнутый в настоящее время по этим параметрам технологический уровень как кремниевой технологии, так и синтеза эпитаксиальных слоев Hg_1-xCd_xTe [1]. Показано, что охлаждение гибридного модуля до температуры 60 К позволяет реализовать тепловизионные системы с NETD близким к предельно возможным, ограниченным лишь зарядовой емкостью кремниевых устройств считывания, при приемлемом уровне “геометрических” шумов.

Таким образом, предложенная математическая модель, программа и методика анализа системы фотодиод-ПИ дает возможность:

- выявлять основные факторы, лимитирующие характеристики многоэлементных ИК ФПУ и тепловизионных систем на их основе;

- проводить сравнение с экспериментальными результатами и формулировать требования к конструктивным и электрофизическим параметрам устройств считывания, ИК фотодиодов, необходимым для достижения проектных характеристик тепловизионных систем на основе многоэлементных ИК ФПУ.

Численные значения параметров коэффициентов б₁, б₂, б₃, K, взяты из литературных источников и могут отличаться от экспериментальных. Уточненные значения численных коэффициентов, либо уточненные модели ВАХ фотодиодов легко могут быть встроены в программу.

В третьей главе представлены результаты анализа температурного разрешения тепловизионных систем в зависимости от зарядовой емкости устройств считывания и разработки кремниевых устройств считывания предназначенных для ИК ФПУ длинноволнового диапазона.

При традиционных схемах построения устройств считывания (интегрирующая емкость на каждую ячейку устройства считывания), зарядовая емкость ограничивается геометрическими размерами элементарной ячейки. В каждой ячейке устройства считывания необходимо разместить многоэлектродную структуру и поэтому, интегрирующая емкость устройства считывания занимает не более 30-60 % площади одной ячейки. Технологические возможности увеличения зарядовой емкости устройств считывания за счет уменьшения толщины подзатворного диэлектрика и топологических норм проектирования практически исчерпаны.

Схема построения устройств считывания (рис.4а) дает возможность многократно увеличить зарядовую емкость устройств считывания. Отличительной особенностью устройства считывания является построение матрицы из фрагментов 2х2 входных устройств с общей интегрирующей емкостью. Накопление фотосигналов происходит одновременно во всех фрагментах, но только в тех ячейках фрагмента, в которых на входной затвор подано высокое, открывающее напряжения. Как показано на рис. 4б эти условия выполняются последовательно для первой, второй, третьей и четвертой ячеек фрагмента. Сигнал последовательно выводятся на общий выход “Вых” с первых, вторых, третьих и четвертых ячеек входных устройств каждого фрагмента. При выводе на монитор можно формировать полный кадр в режиме реального времени. Основные структурные элементы фрагмента входных устройств считывания - затвор накопления (9), затвор переноса (10) и выходной диод (11) являются общими. Это дает возможность увеличить площадь затвора накопления c 30-60 % от площади элементарной ячейки в устройствах считывания с традиционной организацией до (70-85) % от площади фрагмента 2х2 элемента, то есть увеличить зарядовую емкость устройств считывания по крайней мере в 6-10 раз.

В данной конфигурации устройств считывания время накопления фотосигналов не может быть больше времени считывания одного фрагмента матрицы входных устройств, то есть не более четверти от времени кадра. Увеличения зарядовой емкости входных устройств до 2-5·10⁸ электронов (при шаге фотоприемных элементов 30 мкм) позволит интегрировать большую часть фотосигналов падающих на фотоприемники в течение этого времени.

Рис.4 Устройство считывания с организацией входных устройств из фрагментов размерностью 2х2 элементов; а - структурная схема, б -диаграмма управляющих напряжений. Цифрами 1, 2, 3 и 4 обозначены входные диоды первой, второй, третьей и четвертой ячейки входных устройств фрагмента соответственно, циф- рами 5, 6, 7 и 8 - входные затворы, 9, 10 и 11 - общие для фрагмента затвор накопления, затворов переноса и выходной диод, 12 - ключ, 13-18 - шины управления, 19 -вертикальный сдвиговый регистр, 20- формирователь строчных управляющих напряжений, 21 - столбцовая шина считывания, 22 - линейка предусилителей, 23 - горизонтальный сдвиговый регистр

По схеме с фрагментарной организацией устройств ввода изготовлено устройство считывания формата 128х128 элементов. На рис.5 приведены тепловые изображения полученные с фотоприемного модуля с фотоприемниками на основе МСКЯ GaAs/AlGaAs с максимумом фоточувствительности на длине волны 7.8 мкм.

Рис. 5 Тепловые изображения размерностью 6464, считываемые последовательно с 1, 2, 3, 4 -ых ячеек фрагмента

На рис.6 показана топология фрагмента устройств ввода с топологическими нормами 0.8 мкм и с шагом входных устройств 30 мкм. Каждая ячейка устройства ввода фрагмента, дополнительно содержит транзистор Т1, который необходим для обеспечения тестируемости кремниевого процессора, а также может быть использован для вывода избыточного тока при перезасветке отдельных элементов (анти-блуминг). Площадь затвора накопления 2750 мкм² (заштрихованная область на рис.6), занимает ~ 76% площади фрагмента 2х2 элемента, равной 60х60 мкм². При толщине подзатворного диэлектрика 12 нм (SiO₂), емкость затвора накопления будет ~ 8пФ, при шаге входных устройств 35 мкм емкость затвора накопления возрастет до 11-12 пФ.

Рис. 6 Фрагмент топологии ячейки входных устройств, где Т1-вспомогательный МДП транзистор, Вх.з.1- входной затвор первой ячейки фрагмента, Вх.з.2- входной затвор второй ячейки фрагмента, Вх.з. 3- входной затвор третьей ячейки фрагмента, Вх.з.4- входной затвор четвертой ячейки фрагмента, Затвор накопления,- общий для фрагмента 2х2 затвор накопления, З. пер. - общий затвор переноса, Шина считывания - столбцовая шина считывания

Для ИК ФПУ с устройствами считывания в виде фрагментов 2х2, как и для устройств считывания стандартной конфигурации, возможны все дополнительные режимы работы современных ИК ФПУ: “оконный режим”, режим “мгновенного кадра“ (в англоязычной литературе “snap shot”). Более того, последовательное считывание фрагментов, как это показано на рис. 5, можно рассматривать как отдельную, дополнительную форму «оконного режима». В этом случае, без уменьшения поля зрения, при потере пространственного разрешения в два раза, обеспечивается увеличение кадровой частоты в четыре раза. При этом после четырех циклов считывания формируется изображение в полном формате. Данная структура устройств считывания, с указанными выше особенностями, позволяет произвольно выбирать любой формат «окна». В силу низкой контрастности изображений и необходимости иметь устройства считывания с большей зарядовой емкостью, задачи предпроцессорной обработки сигналов особенно актуальны и сложны для ИК ФПУ в длинноволновой области спектра. С увеличением зарядовой емкости устройств считывания до (2-5)·10⁸ электронов возрастают требования к динамическому диапазону всех последующих устройств - предусилителей, измерительного канала, устройств предпроцессорной обработки сигналов. Фрагментарная организация устройства считывания существенно упрощает реализацию этих устройств, так как их можно размещать с двойным шагом относительно шага матрицы фотоприемников, а их количество, соответственно, вдвое меньше.

Устройства считывания для ИК ФПУ с режимом временной задержки и накопления. Одной из наиболее востребованных тепловизионных систем являются линейчатые ИК ФПУ с ВЗН. В главе рассматривается проект устройства для системы с режимом ВЗН структурная схема которой приведена на Рис.7, (на рис. 7 количество ВЗН каскадов n равно 4, но n может быть любым числом).

Рис. 7 Структурная схема устройства считывания для ИК ФПУ с режимом ВЗН, где - блок 41, шина 42 для записи и хранения информации о дефектных фотоприемных каналах, - блок устройств считывания фотосигналов, 1-вход устройства считывания 2, 3 входное устройство, 4 - интегрирующая емкость, МДП транзисторы 5, 6, шина управления 7 первой ячейки ВЗН устройства. Элементы 13-16, 22-25, 31-34 для второй, третьей и четвертой ячейки ВЗН устройств считывания соответственно; блок аналоговых устройств хранения и суммирования ВЗН сигналов - МДП транзисторы 8, 10, интегрирующая емкость 9, шины управления 11, 12 - первой ячейки, элементы 17-21, 26-30, 35-39 для второй, третьей и четвертой ячейки ВЗН устройств соответственно

Важным преимуществом предлагаемой структурной схемы устройства является то, что, принципиальные схемы и топологическая реализация основных узлов не зависит от числа ВЗН каскадов, меняется только их количество. Интегрирующая емкость (элементы 4, 13, 22 и 31 на рис.5) расположена непосредственно на входе устройства и имеет соединение только с одним МДП транзистором. Это позволит снизить уровень шумов устройств считывания, коммутационные шумы и, следовательно, повысить чувствительность ИК ФПУ на его основе.

Четвертая глава посвящена разработке схемотехнических решений построения устройств предпроцессорной обработки фотосигналов интегрированных с устройствами считывания.

В работах по многоэлементным ИК ФПУ обычно рассматриваются устройства считывания и устройства обработки фотосигналов как два отдельных узла. При таком подходе необходимо предварительное преобразование сигналов в цифровую форму, большую часть которых составляют компоненты, не несущие информации об объекте исследования. В этом случае к динамическому диапазону, быстродействию и разрядности АЦП внешнего измерительного канала, обрабатывающий в режиме реального времени в цифровой форме массивы ИК фотосигналов предъявляются очень жесткие требования. Это приводит к росту потребляемой мощности, ухудшению массогабаритных характеристик и, следовательно, повышению стоимости ИК ФПУ.

Начальной задачей формирования ИК видеосигналов является подавление «геометрического» шума из-за неоднородности характеристик фотоприемников, передаточных характеристик устройств считывания и вычитание неинформационных компонент сигналов обусловленных фоновым излучением. На рис.8а приведена принципиальная схема ячейки устройства обеспечивающая решение этой задачи.

Рис.8 Устройство предпроцессорной обработки фотосигналов; а - принципиальная схема ячейки устройства, б - временные диаграммы управ-ляющих напряжений

Уровень напряжения на диффузионной области 7 и электрически связанных с ней затворах 4, 6 несет информацию об уровне опорного «темнового» сигнала индивидуально для каждого фотоприемного канала. Этот уровень формируется в течение (10-15) вспомогательных, опорных циклов считывания, при которых на ИК ФПУ проецируется изображение от однородного фона, например, от “черной” шторки. В информационных циклах считывания на затвор переноса 11 подается отпирающий импульс. При увеличении входного тока в информационных циклах считывания сначала заполнится яма под затвором накопления 3, зарядовая емкость которой определяется «темновым» сигналом фотоприемников. Избыток заряда пропорциональный освещенности фотоприемников в информационных циклах считывания, минуя диффузионную область 7, через затвор переноса передается в ПЗС регистр считывания.

Данный принцип построения устройств предпроцессорной обработки фотосигналов был реализован в 64-х элементном устройстве считывания и на его основе изготовлено ИК ФПУ с InSb ПЗИ фотоприемниками. Осциллограмма сигналов с выхода 64-х элементного ИК ФПУ приведена на рис. 9.

Рис.9 Осциллограмма сигналов с выхода 64-х элементного ИК ФПУ. Цена деления по оси Y=1В/деление, по оси X = 100 мкс/деление (а)). Информационный цикл считывания, цена деления по оси Y =0.5 В/деление, по оси X = 20 мкс/деление (б)

В первом информационном цикле считывается опорный, «темновой» фотосигнал, формируемый в течении десяти - пятнадцати предварительных циклов записи и обусловленный фоновым излучением и термогенерационными токами InSb ПЗИ фотоприемников, находящихся в режиме неравновесного обеднения. Мощность фонового ИК излучения P_ф в спектральном диапазоне 1-5.4 мкм, при апертуре 50⁰ и температуре фона=300 К P_ф ~ 1.8·10^-4 Вт/см². Начиная с третьего информационного цикла считывания добавлялось излучение от АЧТ с температурой 500 К, мощность излучения АЧТ в спектральном диапазоне 1-5.5 мкм составляла 1.5·10^-5 Вт см^-2 (во время третьего информационного цикла считывания излучение от АЧТ частично перекрыто модулятором). На выходе ИК ФПУ формируются сигналы, пропорциональные разности фотосигналов в опорных и информационных циклах считывания.

Обнаружительная способность ИК ФПУ с устройствами предпроцессорной обработки сигналов составила 1.4·10¹¹см·Гц^1/2·Вт^-1, что соответствует обнаружительной способности в режиме ОФ при квантовой эффективности ?~0.7. На основе 64-х элементного ИК ФПУ совместно с Институтом Атомной энергии им. И.В. Курчатова был разработан динамический ИК спектрометр.

Основные технические характеристики динамического ИК спектрометра:

Спектральный диапазон 2-5.4 мкм.

Регистрируемый одновременно интервал спектра

при использовании дифракционной решетки 24 /мм 0.38 мкм

Ширина аппаратной функции прибора 100 А

Фоточувствительный элемент 85х100 мкм²

Пороговая чувствительность одного

элемента при л =5.6 мкм 5·10^-12 Вт/эл.

Динамический диапазон более 70 дБ.

Число кадров 50

Длительность кадра 100 мкс

Время экспозиции 25-80 мкс

Динамический ИК спектрометр в 1985 году был установлен в ИАЭ им. И.В. Курчатова и применен для исследования динамики излучения нестационарной газоразрядной плазмы СО-разряда. В спектрометре использовался 10 разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) при динамическом диапазоне более 70 дБ. Отметим, что для ИК ФПУ с устройствами считывания не имеющими в своем составе устройств предпроцессорной обработки потребовалось бы 14-15 разрядное АЦП, которое на момент разработки ИК спектрометра было недоступно.

Адаптивные устройства предпроцессорной обработки. Вычитание постоянных во времени аддитивных неинформационных компонент сигналов не решает многих проблем, вследствие значительных временных изменений параметров фотоприемников, передаточных характеристик устройств считывания, изменения температуры подложки фотоприемников, изменения фоновой обстановки и ряда других причин.

Для решения этих проблем необходимы адаптивные системы предпроцессорной обработки, обеспечивающие компенсацию временных изменений (дрейфа) фотоэлектрических параметров всех компонент ИК ФПУ. Необходимость адаптивных систем предпроцессорной обработки сигналов особенно важна для ИК ФПУ длинноволнового диапазона, так как с ростом длины волны уменьшается контрастность изображения.

Структурная схема многоканального процессора с адаптивными устройствами предпроцессорной обработки решающая эти задачи приведена на рис.10.

Рис.10 Структурная схема многоканального процессора с адаптивными устройствами предпроцессорной обработки фотосигналов с цифровой шиной коррекции

Сигнал после предварительного усиления (2 на рис.10), последовательно поступает по общей шине считывания 13 на устройство двойной коррелированной выборки измерительного канала (ДКВ) оцифровывается (АЦП) и подается на один из входов компаратора 7. На другой вход компаратора подается «Опорный код ». В зависимости от соотношения информационных сигналов и опорного кода на выходе компаратора вырабатываются коды: +1 при Исиг<Иоп; -1 при Исиг>Иоп; 0 при Исиг=Иоп. При коде +1 информация в оперативном запоминающем устройстве разрядностью NxM, где N - количество каналов устройств считывания, M -разрядность цифроаналогового преобразователя (ЦАП) увеличивается на дискрету младшего разряда ОЗУ, при коде -1 -уменьшается. В момент времени считывания информации с i+1 ячейки кремниевого мультиплексора, информация с i^ой ячейки подается из ОЗУ в ЦАП преобразуется в напряжение, далее по шине коррекции передается на корректирующий вход i^ого усилителя кремниевого мультиплексора и хранится в аналоговом виде до следующего цикла считывания. Таким образом, с окончанием считывания строки будет подготовлена информация к следующему циклу считывания (коррекции). Максимально через 2^N циклов считывания, где N -разрядность ОЗУ - информация в ОЗУ установится таким образом, что сигналы на выходе АЦП для всей матрицы ИК ФПУ с точностью до младшего разряда АЦП будут равны опорному коду.

Далее в главе дано описание и приведены результаты экспериментального обследования 16 входовых устройств нескольких схем реализующих описанный выше принцип построения устройств предпроцессорной обработки сигналов. Показано, что все предложенные схемотехнические решения не ограничивают чувствительности фотоприемных каналов многоэлементных ИК ФПУ.

Предлагаемая структура блока предпроцессорной обработки сигналов дает дополнительные возможности решения задач идентификации, распознавания образов. В ОЗУ за один цикл считывания можно ввести “образ” какого либо объекта, без потери информации об аддитивных неинформационных компонентах сигнала. При появлении этого объекта в поле зрения ИК ФПУ на выходе шины считывания получим разностный сигнал от реального объекта и введенного в цифровом виде в ОЗУ “образа”.

Совершенствование кремниевой технологии и успехи последних лет в области проектирования многовходовых АЦП с разрядностью 8-10 бит при шаге 10-50 мкм позволили приступить к созданию устройств считывания для ИК ФПУ с процессорной обработкой сигналов в цифровой форме. Для ИК ФПУ в длинноволновом диапазоне 8-12 мкм при зарядовой емкости (10⁸-10⁹) электронов необходимо использовать АЦП с разрядностью не менее 16-18 разрядов. Такие многоканальные АЦП (необходимо иметь хотя бы одно АЦП на строку) до сих пор недоступны.

На рис.11 приведена принципиальная схема устройства считывания с устройствами предпроцессорной обработки фотосигналов в цифровой форме.

Рис.11. Принципиальная схема устройства считывания с блоком адаптивной предпро-цессорной обработки сигналов в цифровой форме, где цифрой -1 обозначен много- выходной коммутатор, 2- предусилитель, 3 - компаратор, 4 - арифметико -логическое устройство (АЛУ), 5 - ОЗУ, 6 - АЦП, 7 - ЦАП, 8 - вход предусилителя, 9 - корректирующий вход предусилителя, 10 - аналоговый выход АЦП, 11 - общая шина считывания, 12 - шина коррекции, 13- выход многовыходного коммутатора

Пеленгатор для измерения координаты и дальности на основе матрицы InAs ПЗИ элементов. Задача регистрации координаты и времени поступления отраженных от объекта слабых импульсных сигналов для систем лазерной локации - одна из самых технически сложных проблем в оптоэлектронике. В ИК области задача усложняется низкой контрастностью изображений. Для решения этой задачи устройство считывания должно удовлетворять следующим требованиям:

...