Фотоприемные устройства двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотоприемные устройства двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем

1. Некоторые особенности построения фотоприемных устройств МОЭС

В последние годы появляются многочисленные публикации [4,21-23,29,51,64-67,72-74,87,93,100,145-148 и мн. др.], в которых приводится информация о разработках и исследованиях приемников излучения, работающих одновременно в двух или более спектральных диапазонах. Их часто называют двух- и многоцветными.

В ОЭС с такими приемниками очень важно четко разделять рабочие спектральные диапазоны, в которых они работают, т.е. не допускать так называемых спектральных перекрестных связей. В системах с двумя или более ФПУ, каждое из которых работает в своем спектральном диапазоне и конструктивно отделено от других путем применения полосовых оптических фильтров, такое разделение достигается сравнительно просто. Однако, в ФПУ с совмещением в одной конструкции приемников, работающих в различных спектральных диапазонах, предотвращение наложения их спектральных характеристик часто составляет серьезную проблему.

Разделение спектральных рабочих диапазонов в одном ФПУ может быть осуществлено различными способами. Возможно разделение площади чувствительного слоя на отдельные участки, принимающие излучение в различных спектральных диапазонах. В настоящее время разделение на отдельные спектральные каналы в двухдиапазонных МПИ осуществляется преимущественно «по глубине», а не «по площади», т.е. путем создания многослойных полупроводниковых структур, отдельные слои которых пропускают и поглощают излучение в различных спектральных диапазонах.

Учитывая различие в уровнях сигналов от наблюдаемых объектов и фонов, а также в спектральных чувствительностях приемников (слоев приемника), работающих в отдельных спектральных каналах МОЭС, очень важно обеспечить соответствующую калибровку (градуировку) соответствующих каналов МОЭС. Такая калибровка или балансировка необходимых уровней сигналов может быть реализована как аппаратурными, так и программными методами. Например, возможно изменять время накопления сигналов в отдельных каналах или изменять коэффициенты усиления и напряжения смещения в цепях приемников различных каналов. Кроме того, необходимо учитывать различия в уровнях шума, особенно геометрического в МОЭС с МПИ, свойственные отдельным каналам МОЭС. Наиболее просто бороться с этим фактором путем раздельной коррекции шумов и неоднородностей параметров отдельных пикселов МПИ, например, путем индивидуальной подборки коэффициентов усиления и напряжений смещения в ФПУ с МПИ.

Решение отмеченных проблем возможно также путем изменения ширины спектральных характеристик Длi отдельных каналов МОЭС. Правда, этот путь далеко не всегда применим, поскольку выбор Длi по большей части обусловлен требованиями оптимизации спектральных характеристик с точки зрения успешного решения основной задачи, стоящей перед ОЭС. Поэтому все же представляется наиболее рациональным осуществлять надлежащую балансировку сигналов в отдельных каналах МОЭС путем управления с помощью соответствующей электронной схемы, например, изменяя время накопления сигнала приемником излучения каждого из каналов, регулируя коэффициенты усиления и напряжения смещения.

2. Двухдиапазонные матричные приемники излучения

Разработкой двухдиапазонных матричных приемников инфракрасного излучения занят ряд ведущих зарубежных фирм. В настоящее время наиболее значительные успехи достигнуты при создании матричных приемников на базе тройных соединений КРТ (кадмий-ртуть-теллур) и структур с квантовыми ямами (CКЯ). И те, и другие могут работать как в средневолновом (3…5 мкм), так и в длинноволновом (8…12 мкм) ИК-диапазоне. Каждый из этих типов многодиапазонных МПИ обладает определенными достоинствами и недостатками, которые неоднократно рассматривались в литературе.

Пиксел двухдиапазонного МПИ на базе КРТ состоит из двух приемников, располагаемых один над другим в виде сэндвича [84]. При заднем освещении (со стороны прозрачной подложки) фотоприемник (фотодиод) с большей граничной длиной волны гр спектральной характеристики выращивается путем эпитаксии сверху фотоприемника с меньшей гр. Последний работает как длинноволновый пропускающий оптический фильтр для фотоприемника с большей гр. На рис.17 показана схема работы одного пиксела такого двухдиапазонного фотовольтаического МПИ. Излучение, проходящее через подложку (обычно из CdZnTe), на которую методом эпитаксии последовательно наносятся слои КРТ, поступает сначала на N-слой, в котором оно поглощается в коротковолновом диапазоне (КФД). Затем, пройдя через тонкий разделительный слой, ослабляющий оптические перекрестные связи между двумя диапазонами, т.е. взаимное перетекание фотоносителей, например, слой Р-типа из GaxIn1-xAsyP1-y , в слое ДФД поглощается более длинноволновая составляющая оптического сигнала. Далее пикселы МПИ соединяются с ячейками схемы накопления и считывания зарядов (обычно через индиевые контакты - столбики).

Такая схема может работать в режиме одновременного (рис.17,а) или последовательного (рис.17,б) считывания сигнала. В первом случае в составе пиксела схемы считывания могут находиться две раздельных ячейки (накопительные емкости, источники напряжения смещения, предусилители и др.), работающие одновременно. Это сокращает время накопления зарядов в ячейках схемы считывания и тем самым упрощает требования к их емкости. В схеме последовательного считывания при подаче напряжения смещения вольтовая характеристика одного из фотодиодов смещена в прямом направлении, а другого - в обратном. Изменение полярности смещения ведет к изменению спектральной чувствительности, т.е. к переходу от одного спектрального диапазона к другому.

Отсутствие контакта с промежуточным омическим слоем в схеме с последовательным считыванием требует лишь одного выводного контакта для каждого пиксела МПИ, что упрощает конструкцию фотоприемного устройства (ФПУ) и увеличивает коэффициент заполнения. Размер пиксела ФПУ при этом способе считывания может быть уменьшен. Однако, независимость питания каждого из фотодиодов пиксела в схеме с одновременным считыванием позволяет проще регулировать соотношение между сигналами, образующимися в каждом из спектральных каналов. Поток фотонов обычно больше в длинноволновом диапазоне, нежели в коротковолновом, поэтому в схеме считывания и последующем электронном тракте обычно приходится устанавливать необходимое соотношение между сигналами, соответствующими каждому из рабочих спектральных диапазонов.

Время переключения фотодиодов сравнительно мало - порядка микросекунд, что позволяет сохранить идентичность изображений в рабочих спектральных диапазонах во многих случаях (но не всегда!).

Наличие всего лишь одного контактного столбика - большое достоинство схемы с последовательным включением двух спектральных каналов МПИ, поскольку схема хорошо сочетается с существующими кремниевыми схемами считывания. Но поскольку не удается применить независимый выбор оптимального для каждого фотодиода напряжения смещения, возможны значительные нежелательные перекрестные связи между КФД и ДФД.

Использование КРТ-слоев допускает комбинацию различных спектральных рабочих диапазонов - отдельных полос внутри широких диапазонов 3…5 или 8…12 мкм, а также комбинацию 3…5 - 8…12 мкм. К сожалению, спектральные характеристики каждого из каналов двухдиапазонных КРТ-приемников перекрываются, что создает трудности разделения каналов. Так, у приемников, описанных в [61], перекрытие спектральных характеристик происходит на уровне 0,4 от максимумов чувствительности: на длинах волн 4,15 мкм (для приемника с диапазонами < 2,0…4,25 мкм и 4,1…5,3 мкм) и 5,3 мкм (для приемника с диапазонами < 2,0…5,4 мкм и 5,1…11,0 мкм на уровне 0,1).

Двухдиапазонный МПИ формата 128х128 на базе КРТ был разработан во Франции (LETI/CEA.G-DOPT) [27]. Он обеспечивает работу в двух спектральных каналах внутри средневолнового ИК-диапазона (2,0…5,2 мкм) при охлаждении до 77 К. Размер пиксела составляет 50 мкм; предполагалось его уменьшение. Были достигнуты: скорость считывания - 2,5 МГц; мощность рассеивания - 33 мВт; эквивалент шума схемы считывания - менее 100 мкВт для диапазона 2,0…3,1 мкм и менее 70мкВт для диапазона 3,4…5,2 мкм; времена накопления для этих диапазонов составили 3 мс и 0,8 мс, соответственно, а неоднородность чувствительности отдельных пикселов - 7% и 4%.

Компания AEG Infrarot GmbH (Германия) разработала в 2003 г. двухдиапазонные ФПУ на базе КРТ (3,4…4,2 мкм и 4,2…5,1 мкм) с форматами 192х192 и размером пикселов 56 мкм [28,29]. Эквивалентная шуму разность температур у этих приемников составила менее 25 мК при диафрагменном числе объектива К=2, времени накопления 1,25 мс и температуре фона 300 К. Высокая частота кадров (до 800 Гц) обеспечит эффективное использование таких ФПУ в быстродействующих ОЭС с двухцветовой селекцией целей, например, в головках самонаведения ракет или противоракетных комплексах. В системе с этим МПИ осуществляется электронная компенсация значительной разницы величин потоков, приходящих на вход ОЭС в каждом из рабочих диапазонов, т.е. приведение сигналов на выходе ФПУ к приблизительно одинаковому уровню, что необходимо для хорошего температурного разрешения и коррекции неоднородности чувствительности.

Двухдиапазонные КРТ-МПИ, разработанные компанией Raytheon в сотрудничестве с HRL Laboratories (США), имеют формат 256х256 при размере пикселов 30 мкм [134]. Они могут работать в различных участках ИК-спектра:

в средневолновом диапазоне при охлаждении до 120 К с граничными длинами волн спектральных характеристик 4 и 5 мкм;

в средневолновом и длинноволновом диапазонах при охлаждении до 70 К с граничными длинами волн 5 и 10 мкм;

в длинноволновом диапазоне при охлаждении до 70 К с граничными длинами волн 8 и 10 мкм.

Спектральные характеристики относительной чувствительности sл этих приемников, приведенные на рис.18, позволяют судить о возможности разделения рабочих спектральных диапазонов. Как указывают авторы [134], спектральные перекрестные связи для коротковолновых диапазонов не превышают 5%, а для длинноволновых - 10%. Соответственно, квантовая эффективность у первых превышает 70%, а у вторых - 50…65%.

В 2005 г. компания Raytheon Vision Systems сообщила об изготовлении на базе КРТ двухдиапазонных МПИ с последовательным считыванием формата 640 х 480 (SB-275) и разработке демонстрационных МПИ формата 1280 х 720 [117]. По сравнению с ранее разработанными МПИ формата 256 х 256 пикселов граничную длину волны в длинноволновом диапазоне удалось приблизить к 11 мкм, температуру охлаждения довести до 78 К, а шаг пикселов уменьшить до 20 мкм. Эквивалентная шуму разность температур составила менее 25 мК при диафрагменном числе объектива К=5, частоте кадров 30 Гц и температуре фона 300 К.

Усилия разработчиков ряда ведущих фирм (SOFRADIR, DRS, BAE Systems Infra-Red Ltd., AIM) направлены на создание КРТ-МПИ с температурами охлаждения 120…180 и даже 220 К, что позволит применить менее сложные и менее энергоемкие, а также более дешевые, нежели криогенные, термоэлектрические системы охлаждения.

Компания DRS Infrared Technologies сообщила о разработке двух разновидностей двухдиапазонных МПИ на базе КРТ [88]. Обе разновидности имеют одинаковый формат и размер пиксела: 320х240 и 50 мкм. Значения эквивалентной шуму разности температур Тп у МПИ, работающего в спектральных диапазонах 3,0….5,2 и 8,0…10,2 мкм, равны 9 и 23 мК при разбросе чувствительности 4,8% и 4,2%, соответственно. Для КРТ-МПИ, работающего в диапазоне 3,0…4,2 и 4,2…5,2 мкм значения Тп составили 18,1 и 8,3 мК при разбросе чувствительности 4,3% и 3,7%, соответственно. Значения Тп приведены для частоты кадров 60 Гц и диафрагменного числа объектива К = 3.

Использование подложек из CdZnTe для изготовления КРТ-МПИ большого формата при сохранении их низкой стоимости является одним из основных препятствий на пути дальнейшего развития этих МПИ для длинноволнового ИК-диапазона. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование кремниевых композитных подложек с буферным слоем из CdTe или CdSeTe. Имеются сведения о разработке таких приемников с размером пикселов порядка 20 мкм для ближнего (с форматом до 2048х2048) и средневолнового (с форматом 1024х1024) ИК-диапазонов, а с буферным слоем CdSeTe на Si-подложке и для длинноволнового ИК-диапазона (с форматом 256х256 и эквивалентной шуму разностью температур около 27 мК) [47].

Фирма SOFRADIR разрабатывает технологию изготовления КРТ-МПИ формата 1024х1024 с Ge-подложкой и CdTe-буферным слоем [33].

Разработанные в последние годы новые технологии глубокого травления промежутков между отдельными пикселами для обеспечения доступа к различным фоточувствительным слоям МПИ позволили создать конструкции двух- и трехдиапазонных ФПУ [88]. Они обладают рядом достоинств, например, возможностью использовать в режиме одновременного съема сигналов с отдельных спектральных каналов хорошо отработанные кремниевые схемы считывания однодиапазонных ФПУ, меньшими оптическими и электронными перекрестными связями между каналами, большими коэффициентами заполнения фоточувствительного слоя МПИ.

Так, новая технология соединения матрицы чувствительных элементов со схемой считывания (HDVIPTM), разработанная компанией “DRS Infrared Technolodgies” и исключающая применение для этой цели индиевых столбиков [88], позволяет осуществить одновременный съем сигналов с двух спектральных каналов МПИ. Эта технология уменьшает толщину ФПУ, увеличивает коэффициент заполнения пиксела (отношение площади фоточувствительного слоя к общей площади пиксела), упрощает сочленение ФПУ с системой охлаждения, уменьшает вероятность возникновения взаимосвязи между различными спектральными каналами пиксела ФПУ. Были созданы конструкции ФПУ с МПИ формата 320х240 и размером пикселов 50 мкм и охлаждаемым мультиплексором формата 640х480 с размером ячеек 25 мкм. Такое ФПУ с передним освещением и одинаковым временем накопления 80 мкс было оптимизировано для работы в диапазоне 7,9…9,5 мкм. Время накопления для диапазона 3,0… 5,4 мкм выбирается примерно в 10 раз большим, чем для диапазона 7,9… 9,5 мкм, что позволяет достичь примерно одинакового уровня сигналов обоих диапазонов, хотя не позволяет оптимизировать отношение сигнал-шум в средневолновом канале при работе с малыми временами накопления, для которых это отношение в длинноволновом канале близко к идеальному. Для неподвижных объектов было возможно раздельно оптимизировать изображения, образующиеся в каждом спектральном диапазоне. При этом значения эквивалентной шуму разности температур составляли 20…30 мК. Схема считывания имеет 4 различных выхода (по два на каждый диапазон), сигналы с которых поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для спектрального диапазона 3,0…5,4 мкм применялся больший коэффициент усиления сигнала, поступающего на вход АЦП. При диафрагменных числах К = 3,0 и работе по излучателям с температурой 220…300 С значения Тп составили 50…65 мК для диапазона 3,0… 5,2 мкм и 50…70 мК для диапазона 7,9…9,5 мкм [64].

С ростом числа последовательно наносимых один на другой приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах, одной из основных проблем становится создание схем накопления и считывания зарядов, образующихся в отдельных пикселах МПИ. В [24,91] сообщается о попытках разработать принципиально новые схемы считывания для получения одинакового динамического диапазона сигналов в двух и трех спектральных каналах ФПУ, например, схем с вычитанием сигналов, когда сигнал в одном из двух рабочих спектральных диапазонов образуется как разность между суммарным для обоих диапазонов фототоком и фототоком, считываемым во втором рабочем спектральном диапазоне. Недостатки таких схем заключаются в уменьшении размеров и емкости отдельных ячеек схемы считывания двух- и трехдиапазонных ФПУ.

Очень часто двухдиапазонные МПИ создаются на базе сверхрешеток - структур с квантовыми ямами (СКЯ-приемники) типа GaAs/AlGaAs и реже InGaAs/InAlAs [11,23,32,41,65-67,87,91,119 и мн.др.]. Эти приемники могут работать одновременно в ближнем, среднем и длинноволновом ИК-диапазонах или в нескольких узких спектральных полосах внутри каждого из этих диапазонов. Возможность регулирования ширины спектральной характеристики - от узкой до достаточно широкой является одним из достоинств этого типа МПИ. Такие МПИ особенно предпочтительны при создании систем, одновременно работающих в видимом и ИК-диапазонах, поскольку фоточувствительные структуры выращиваются на единой подложке, и обработка сигналов, получаемых в рабочих спектральных диапазонах, ведется одновременно.

Сегодня известны две основные конструкции приемников на базе структур с квантовыми ямами (СКЯ) - одна с вертикальным расположением слоев, чувствительных в разных спектральных диапазонах, т.е. в виде сэндвича, и другая с попеременным расположением в одной плоскости рядов пикселов, чувствительных в рабочих спектральных диапазонах приемника.

Изменяя долю падения напряжения на каждом из последовательно включенных одноцветных СКЯ, образующих в своей совокупности двухдиапазонный или многодиапазонный приемник - сэндвич и разделенных тонкими сильно легированными слоями, можно смещать положение максимумов спектральных характеристик макс отдельных структур (одноцветных СКЯ) в широком спектральном интервале - от 3 до 20 мкм. При этом спектральные характеристики достаточно узки - отношение ширины характеристики к макс достигает 0,4 и менее (до 0,1), что позволяет избежать перекрытия отдельных спектральных диапазонов и использовать оптические фильтры для их разделения. Это выгодно отличает СКЯ-МПИ от МПИ на базе КРТ.

Пиксел такого двухдиапазонного приемника состоит из двух СКЯ, чувствительных в коротковолновом (КСКЯ) и длинноволновом (ДСКЯ) диапазонах спектра (рис.19). (Термины «коротковолновый» и «длинноволновый» обозначают здесь диапазон с меньшей и большей длиной волны в максимуме спектральной характеристики). Каждый пиксел соединяется со схемой считывания тремя индиевыми столбиками через прозрачные омические контактные слои. Средний из этих слоев является общим для ДСКЯ и КСКЯ одного пиксела. Сигналы, снимаемые с КСКЯ и ДСКЯ, через ключи - входные полевые транзисторы поступают на свои накопительные емкости Ск и Сд, с которых считываются заряды, поступающие на дальнейшую обработку. Напряжения смещения Vсм к и Vсм д подаются раздельно на КСКЯ и ДСКЯ. Число структур СКЯ ограничивается возможностью размещения индиевых столбиков и контактов на одном пикселе, изоляции пикселов и их контактов друг от друга. В [65] указывается, что для МПИ больших форматов возможно довести число СКЯ, т.е. число спектральных каналов, до четырех. Такая конструкция позволяет совмещать изображения, образуемые в различных спектральных каналах, в одном пикселе МПИ и получать высокий коэффициент заполнения в каждом рабочем спектральном диапазоне.

Обеспечение требуемой спектральной характеристики СКЯ ведется путем изменения толщины отдельных слоев СКЯ, что при освоенной технологии молекулярно-лучевой эпитаксии для материалов III - V группы, из которых изготавливаются СКЯ, сегодня не представляет принципиальных трудностей.

Перед пикселами или за ними размещаются (формируются в процессе изготовления СКЯ) оптические решетки (отражательные, рифленые, дифракционные), которые необходимы для изменения направления падающего на СКЯ излучения, поскольку при нормальном падении излучения на СКЯ поглощения фотонов не происходит (на рис.19 решетки не показаны). Иногда для этого применяются специальные фаски на торцах пикселов (см. ниже). Двумерные решетки, применяемые в двухдиапазонных СКЯ, имеют различную ориентацию штрихов относительно главных осей МПИ, например, 135о и 315о для ДСКЯ и 45о и 225о для КСКЯ.

В [65] описываются двухдиапазонные МПИ на СКЯ, которые могут работать на двух длинах волн в средневолновом (3…5 мкм) или в длинноволновом (8…12 мкм) ИК- диапазонах, а также на двух длинах волн, одна из которых относится к области 3…5 мкм, а другая - к 8…12 мкм. Разработанные устройства работают по способу одновременного считывания сигналов, образуемых в узких спектральных диапазонах с максимумами на 5,0 и 8,6 мкм (рис. 20).

В электронном тракте ФПУ сигналы оцифровываются, с помощью АЦП на 12 бит и считываются с частотой 1,2107 пикселов в секунду, что обеспечивает частоту кадров 60 Гц. Время накопления зарядов при испытании ФПУ изменялось от 80 мкс до 16 мс.

Испытания двухдиапазонного приемника на СКЯ показали, что при рабочей температуре 60 К средние значения ТП, обусловленной временно?й составляющей шума ФПУ, составили 34 мК для длинноволнового ИК- диапазона (ДСКЯ) (при напряжении смещения 1 В) и 30 мК для средневолнового ИК-диапазона (КСКЯ) (при напряжении смещения 2 В). При рабочей температуре 70 К и выше канал ДСКЯ становился неработоспособным. В то же время КСКЯ имел ТП <30 мК при рабочих температурах 90 К и менее. Время накопления зарядов при этом составляло 8 мс, температура фона - 298 К, а диафрагменное число объектива системы K = 2,5. Диапазон температур черного чела, используемого при испытаниях, составлял 22…30оС.

Геометрический шум был гораздо заметнее у КСКЯ, что объяснялось несколько большей неоднородностью чувствительности отдельных пикселов в этом диапазоне ( = 5,1 мкм). В то же время доля пикселов с разбросом чувствительности в пределах 20% для = 5,1 мкм не превышала 0,26%, а для = 9,0 мкм - 0,18%.

В [119] cообщается о разработке ряда двухдиапазонных приемников на базе СКЯ, работающих по способу одновременного считывания. Материалами чувствительных слоев СКЯ были GaAs c барьерами AlGaAs для длинноволнового ИК-диапазона и InGaAs с барьерами GaAs для средневолнового ИК-диапазона, обеспечивающие высокую чувствительность и однородность параметров отдельных пикселов. Приемники работают в различных спектральных диапазонах: на длинах волн 8,3 и 11,2 мкм (рабочие температуры 40…45 К); 5,1 и 8,5 мкм (рабочие температуры 65…70 К); 4,0 и 4,7 мкм (рабочие температуры 90…100 К). Верхние пределы указанных температур определялись приемниками, работающими на более длинных волнах (ДСКЯ).

Формат приемников равен 256х256 пикселов с размерами 40х40 мкм; лишь у приемников, работающих на длинах волн 4,0 и 4,7 мкм, размеры пикселов составляли 50х50 мкм. Коэффициенты заполнения были близки у ДСКЯ к 80%, а у КСКЯ к 85%.

Напряжение смещения у этих приемников составляло -1…-2 В. Время накопления зарядов в каждой из двух секций ячейки схемы считывания, соответствующих двум спектральным рабочим диапазонам, было различным и изменялось от 4 до 10 мс. Частота кадров равнялась 60…100 Гц. Системы с этими приемниками имели объективы с диафрагменными числами K = 2 или K = 3; температура фона при испытаниях ФПУ составляла 295 К.

Максимальная чувствительность МПИ, работающего при температуре 40 К на длинах волн 11,2 и 8,3 мкм, составляла около 480 мА/Вт для ДСКЯ и 320 мА/Вт для КСКЯ при рабочей температуре 40 К и напряжении смещения - 2 В. Типичные значения ТП были равны 43 мК для ДСКЯ и 23 мК для КСКЯ ( при K = 3, температуре фона 295 К и частоте кадров 100 Гц).

Для МПИ, работающих при температуре 65 К на длинах волн 8,5 и 5,1 мкм, максимальные чувствительности составили около 95 мА/Вт и 35 мА/Вт, соответственно, а ТП для обоих диапазонов была менее 35 мК ( при K = 2 и частоте кадров 100 Гц).

Для МПИ, работающих при температуре 150 К на длинах волн 4,7 и 4,0 мкм, максимальные чувствительности были близки к 28 мА/Вт и 17,5 мА/Вт, соответственно. Величина ТП при рабочей температуре 85…90 К составила 32 мК для ДСКЯ и 41 мК для КСКЯ (при К= 3 и времени накопления 8…10 мс).

Разработанные компанией BAE Systems двухдиапазонные СКЯ-МПИ формата 256х256 с размером пиксела 39 мкм на базе 20-периодной структуры GaAs/AlGaAs с максимумом спектральной характеристики на 8,6 мкм и на базе InGaAs - слоев с барьерами из AlGaAs с максимумом спектральной характеристики на 4,7 мкм используют схему считывания фирмы Lockheed Martin Electronics and Missile Systems, потребляющую менее 50 мВт и обеспечивающую частоту кадров до 180 Гц [65]. Емкость ячеек схемы считывания может изменяться от 2 ·106 до 2· 107 электронов. Разработанные двухдиапазонные ФПУ при их охлаждении до 60 К, диафрагменном числе объектива К = 2,5 и времени накопления 8 мс обеспечивали Тп = 35…60 мК на длине волны 8,6 мкм и 30…80 мК на длине волны 5,0 мкм при испытаниях в условиях фонов с температурой +220…+300С.

Начиная с 2001 г., регулярно появляются сообщения о разработке Институтом прикладной твердотельной оптики им. Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics) и компанией AEG Infrarot GmbH (Германия) матричных МПИ на основе СКЯ InGaAs/AlGaAs (для диапазона 3…5 мкм) и GaAs/AlAs/AlGaAs (для диапазона 8…12 мкм) [28,29,119 и др.] Форматы матриц для диапазона 8…12 мкм с разными активными областями (фотопроводящего и фотовольтаического типа) изменялись от 256 х 256 с шагом пикселов 40 мкм до 640 х 512 с шагом пикселов 24 мкм. Лучшее температурное разрешение в диапазоне 8…12 мкм составило ТП = 5,2 мК (при времени накопления порядка 20 мс и диафрагменном числе К=2) для малошумящего МПИ формата 256 х 256 и ТП =9,6 мК для МПИ формата 640 х 512 (при времени накопления 30 мс). Чувствительность МПИ формата 256 х 256 близка к 0,1 А/Вт. Увеличение квантовой эффективности до 30…40 % в диапазоне 8…12 мкм при уменьшении времени накопления до 4 мс было достигнуто путем использования более высокой концентрации носителей (4 •1011 электрон/см2 по сравнению с 1011 электрон/см2 в изготавливаемых ранее МПИ) и оптимизацией угла наклона штрихов двухкоординатных поверхностных оптических решеток. Однако при этом потребовалось уменьшение температуры охлаждения на несколько градусов.

Формат матриц для диапазона 3…5 мкм составил 640 х 512 пикселов с периодом их расположения 24 мкм. При времени накопления 20 мс и диафрагменном числе объектива К=1,5 в системе с такими МПИ, охлаждаемыми до 88 К, достигнута ДTП не более 14,3 мК. Неоднородность эквивалентной шуму разности температур не превышала 50 % этой ДTП, т.е. 7 мК.

На базе этих матриц компания AEG Infrarot-Module GmbH выпускает двухдиапазонные МПИ форматом 384 х 288 х 2 и размером пикселов 40 мкм, предназначенные для ИКС обнаружения замаскированных целей и имеющие максимумы спектральной чувствительности на длинах волн 4,83 и 8,0 мкм [29]. Узкие полосы рабочих спектральных диапазонов позволяют осуществить хорошую двухцветовую селекцию целей. При К=2 и времени накопления 6,8 с для обоих спектральных диапазонов достигнуто температурное разрешение менее 30 мК. Поскольку накопление зарядов в схеме считывания происходит одновременно в обоих рабочих спектральных диапазонах, при использовании восьми аналоговых каналов считывания, работающих с тактовой частотой 10 МГц каждый, удается получить частоту кадров 100 Гц.

В 2005 г. компания AEG Infrarot-Module GmbH сообщила о разработке первых практически полезных приемников на суперрешетках для средневолнового ИК-диапазона форматом 256 х 256 пикселов размером 40 мкм , работающих при температуре охлаждения 77 К [29]. Так как в суперрешетках поглощение излучения вызывает электронные переходы между мини-зонами из разных материалов, например GaInSb и InAs, в отличие от обычных СКЯ сильное поглощение излучения происходит и при нормальном падении лучей, т.е. не требуются дополнительные рассеивающие излучение решетки, снижающие пространственное разрешение МПИ. При диафрагменном числе объектива К=2 и времени накопления зарядов 5 мс температурное разрешение этих приемников составило менее 10 мК. Разрабатывается двухдиапазонный приемник на суперрешетках форматом 384 х 288 пикселов с шагом 24 мкм.

Фирмами Thales Research Technology (TRT) и LETI Infrared Laboratory (CEA-LETI/LIR) созданы МПИ на основе InGaAS/AlGaAS-СКЯ с форматом 256х256 и шагом пикселов 25 мкм, работающие в двух диапазонах: в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах (СДИК) или в двух полосах внутри длинноволнового ИК-диапазона (ДДИК). Спектральные характеристики и зависимости плотности темнового тока от напряжения смещения при различных температурах охлаждения Т приведены на рис.21. Параметры опытных образцов МПИ приведены в табл.

Таблица Параметры двухдиапазонных МПИ [32]

Фирмой Elop, Electrooptics Industries LTD (Израиль) были разработаны образцы МПИ формата 320х256 на базе монолитных структур InGaAs и AlGaAs, работающие одновременно в среднем и длинноволновом ИК- диапазонах [41], а также МОЭС на базе двухдиапазонных матриц формата 256 х 256 на базе тех же материалов, работающих в ближневолновом (0,884; 0,913 или 1,064 мкм) и длинноволновом (лмакс = 8,8 мкм) ИК диапазонах [42].

Крупноформатные двухдиапазонные СКЯ-матрицы формата 640х512 на базе GaAs/AlGaAs с периодом расположения пикселов 25 мкм и чередующимся расположением рядов пикселов, чувствительных в отдельных рабочих спектральных диапазонах (т.е. с форматом 640х256 в каждой спектральной полосе) разработаны Jet Propulsion Laboratory (JPL), California Institute of Technology [22,23,91]. Матрицы имели ДТп= 55 мК при температуре охлаждения 45 К. Они могут работать в узких полосах внутри широкого диапазона 10…16 мкм, а также чувствительны в в широких полосах 6…10 и 10…14 мкм (рис.22).

Конструкция такого приемника с подложкой из GaAs, через которую поступает излучение, схематично представлена на рис.23 [91]. На общую подложку П из легированного GaAs последовательно наносится ряд слоев. Слои СКЯ1 и СКЯ2 являются структурами, рассчитанными на прием излучения в спектральных диапазонах 8…9 и 13,5…15,5 мкм, соответственно. В каждом ряду пикселов неработающие в спектральном диапазоне этого ряда слои СКЯ1 и СКЯ2 закорачиваются на общую землю. Слои К1 и К2 являются промежуточными легированными контактными слоями. Отражательные (позолоченные) решетки Р1 и Р2 служат для изменения направления нормально падающего на приемник излучения в целях его поглощения рабочей СКЯ, а также для съема сигналов с пикселов МПИ. При опросе одного из спектральных каналов МПИ другие не работают.

В [22,74] приводятся параметры и характеристики двухдиапазонного СКЯ форматов 320х240 и 640 х 480 на базе GaAs/AlGaAs, имеющего две зоны спектральной чувствительности с максимумами около 8,5 и 14,5 мкм. Испытания приемника при температуре фона 300 К , при апертуре охлаждаемой диафрагмы F/2 и частоте кадров 30 Гц показали, что при температуре охлаждения 40 К значения ДTП для диапазонов 8…9 мкм и 14…15 мкм составляют 36 и 44 мК, соответственно. При температурах охлаждения 65 К и ниже ДTП для диапазона 8…9 мкм остается стабильной.

Компания QWIP Technologies, Inc. (QWIPTECH) совместно с лабораторией JPL (Jet Propulsion Laboratory) при поддержке Агенства по перспективным оборонным разработкам (Defense Advanced Research Project Agency - DARPA) разрабатывает двух- и четырехдиапазонные МПИ [99]. В 2003 г. сообщалось о создании опытных образцов двухдиапазонных МПИ, работающих одновременно в видимом и ближнем ИК (0,6…0,9 мкм) и длинноволновом (8…12 мкм) диапазонах [39]. Максимумы чувствительности в этих диапазонах приходились на 0,87 и 8,6 мкм.

В [39] описывается конструкция этих МПИ, имеющих общий формат 320х256. Отдельные элементы чувствительного слоя, принимающие излучение в разных рабочих спектральных диапазонах (арсенид-галлиевые PIN-фотодиоды в диапазоне 0,6…0,87 мкм и СКЯ на базе GaAs/AlGaAs в диапазоне 8…12 мкм), располагаются поочередно - по отдельным столбцам вдоль большего размера МПИ, т.е. для каждого спектрального диапазона формат приемника равен 160х256. Сигналы с этих элементов поступают на низкошумящие трансимпедансные усилители схемы считывания, отличающиеся для каждого из двух типов приемников коэффициентом усиления и емкостью ячеек накопления зарядов. Наибольшее значение этой емкости составляло 3,5?106 электронов. Время накопления для элементов СКЯ было малым, что компенсировалось уменьшением напряжения питания и соответствующим уменьшением темнового тока, чтобы не допустить переполнения ячеек схемы считывания.

Приемник охлаждался до 68 К с помощью жидкого азота. Ожидается, что такое охлаждение сместит коротковолновую границу спектральной чувствительности фотодиодов в область 0,5 мкм. Эквивалентная шуму разность температур Тп отдельных пикселов, чувствительных в диапазоне 8…12 мкм, для опытных образцов составила 100 мК. Неоднородность чувствительности этих пикселов не превышала 2,4%. Для ее уменьшения до 0,1% использовалась одноточечная коррекция. Изображения, соответствующие двум различным спектральным рабочим диапазонам, выводились на две части одного и того же экрана.

Двухдиапазонные МПИ на СКЯ, имеющие формат 320х240 с размером пиксела 40 мкм, разработаны компанией QWIPTECH для системы обнаружения мин и минных полей [99]. Максимумы спектральной характеристики у этих МПИ приходятся на 9,2 мкм (достигнута чувствительность 0,4…0,7 А/Вт) и на 12 мкм (достигнута чувствительность 1…2 А/Вт). При температурах охлаждения МПИ до 58…68 К для фона с температурой 300 К при использовании охлаждаемой диафрагмы достигается режим ограничения фоном.

Номенклатура материалов, используемых для образования СКЯ, растет. Так, создаются приемники на основе InGaAs/InP, работающие одновременно в диапазонах 3…5 мкм и 8…12 мкм [60,87]. Двойные барьеры InP этих СКЯ имеют меньшую концентрацию дефектов, нежели тройные барьеры AlGaAs , т.е. и меньшие темновые токи. В [21] сообщалось о создании приемников на базе структур с квантовыми ямами InP/InGaAs и InP/InGaAs/InGaP, чувствительных в спектральных диапазонах 8…11 мкм и 4…6 мкм, соответственно. Приемники на базе первой из этих структур имели максимум обнаружительной способности D*= 8·109 Вт-1·см·Гц1/2 на л = 8,5 мкм при охлаждении до 80 К, а на базе второй - D*= 3,2·1010 Вт-1·см·Гц1/2 на л = 4,9 мкм при охлаждении до 110 К.

Исследуются возможности использования в МОЭС космического базирования СКЯ на базе InAs/InxGa1-xSb, работающих в широком спектральном диапазоне 2…30 мкм при температуре охлаждения 40…120 К [24]. фотоприемный электронный инфракрасный излучение

В [60] рассматриваются возможности и приводятся результаты моделирования двухдиапазонных МПИ на базе различных СКЯ (AlAsSb/GaInAs, AlGaInAs/GaInAs, InP/GaInAs, InP/GaAsSb и др.), формируемых на подложках из InP. Для МПИ на базе GaInAs/InAs формата 256х256, работающего в диапазоне 3…5 мкм, получена эквивалентная шуму разность температур порядка 90 мК.

Для повышения квантовой эффективности СКЯ и соответственного уменьшения влияния генерационно-рекомбинационного шума на чувствительность этих приемников, основанных на эффекте фотопроводимости, в последние годы предлагаются усовершенствования их конструкции.

Для разработчиков МОЭС представит интерес сообщение о создании двухдиапазонных приемников на базе так называемых рифленых или гофрированных СКЯ (C-QWIP) с двумя сверхрешетками, переключение рабочих спектральных диапазонов в которых осуществляется с помощью изменения полярности приложенного к приемнику напряжения смещения [94]. Конструкция таких приемников схематично показана на рис.2 Многослойная структура одного из приемников, чувствительного в спектральных диапазонах 4…7 и 7…11 мкм, состоит из слоя n+-GaAs, нижней 16ти-слойной сверхрешетки на базе GaAs/Al0,27Ga0,73As, 4х-слойного активного барьерного слоя AlxGa1-xAs (x=0,22…0,4) и верхней 16ти-слойной сверхрешетки на базе Al0,4Ga0,6As/GaAs. Подобная структура другого приемника, чувствительного в спектральных диапазонах 3…5 и 8…12 мкм, состоит из слоя n+-GaAs, нижней 16ти-слойной сверхрешетки на базе GaAs/Al0,35Ga0,65As, 4х-слойного барьерного слоя, образованного структурами Al0,2Ga0,8As, AlxGa1-xAs (x=0,2…0,4) и Al0,4Ga0,6As и верхней 16ти-слойной сверхрешетки на базе структур GaAs/In0,2Ga0,8As/GaAs и Al0,4Ga0,6As. Боковые стенки многослойной СКЯ скошены под углом 45о, что позволяет использовать полное внутреннее отражение, так чтобы изменить на 90о направление падающего на приемник излучения для поглощения его квантовыми ямами. Период рифления у описанных в [94] приемников составлял 30 мкм. При скосе под 45о только одной стороны СКЯ чувствительность приемников была выше, чем при использовании двустороннего скоса.

Исследования этих приемников показали, что они имеют достаточно широкие спектральные характеристики в каждом из рабочих диапазонов: от 4 до 7 мкм с максимумом на 6 мкм и от 7 до 11 мкм с максимумом на 9,5 мкм у первого из приемников и от 3 до 6 мкм с максимумами на 3,9 и 5,2 мкм и от 7 до 11 мкм с максимумом на 9,1 мкм у второго. При изменении напряжения смещения положения максимумов и границы спектральных характеристик несколько смещались.

Температуры охлаждения, при которых исследовались приемники, изменялись в диапазоне от 10 до 65 К при положительном смещении и от 10 до 120 К при отрицательном смещении. Предельные температуры охлаждения определялись для условий, когда темновой ток достигал значения шумового тока, обусловленного фоном. Для первого типа приемника эти температуры составили 55 К для длинноволнового спектрального диапазона при напряжениях смещения от 0 до +0,8 В и 80 К для средневолнового диапазона при напряжениях смещения от 0 до -0,8 В. Для второго типа приемника эти температуры были равны 70 К для длинноволнового спектрального диапазона при напряжениях смещения от 0 до +1,5 В и 110 К для средневолнового диапазона при напряжениях смещения от 0 до -3 В.

У обоих типов приемника чувствительность в длинноволновом ИК-диапазоне в несколько раз превышала чувствительность в средневолновом ИК-диапазоне.

Сравнение двухдиапазонных МПИ на базе КРТ и СКЯ показало, что при работе каждого из этих приемников в условиях, близких к оптимальным, нельзя отдать предпочтение какому-то одному из них [67,91]. Для СКЯ такими условиями являются охлаждение до температур ниже 65 К и использование времени накопления порядка 8 мс. Для КРТ-матриц температура охлаждения может быть выше (до 77 К), а режимы работы в длинноволновом и средневолновом ИК диапазонах должны быть различными, т.е. для одного диапазона следует применять схему одновременного, а для другого - последовательного считывания. Считается, что двухдиапазонные ИКС ближайшего будущего потребуют одновременной работы ФПУ каждого диапазона [67].

Следует отметить, что СКЯ более технологичны и дешевле в изготовлении, поскольку технология изготовления элементов группы III - V, к которым относятся материалы, однотипные тем, на которых базируются СКЯ, и использующая метод молекулярно-лучевой эпитаксии хорошо освоена. В то же время технология материалов II - VI группы, к которым относится дорогой КРТ, почти полностью замыкается на изготовлении только приемников излучения, т.е. круг ее применения ограничен, а отсюда она сравнительно медленно совершенствуется.

Приемники на базе СКЯ более однородны, обладают узкими спектральными характеристиками, что обеспечивает хорошее разделение спектральных каналов. С другой стороны, квантовая эффективность КРТ-приемников и рабочая температура (температура охлаждения) при работе в спектральном диапазоне 3…10 мкм выше, чем у СКЯ, хотя для работы КРТ-приемников на длинах волн более 10 мкм (на слабо излучающих фонах) их температура охлаждения должна быть снижена до 65 К и менее.

Многие исследователи считают, что при переходе к ИКС «смотрящего» типа нового поколения, которые должны быть двух- и многодиапазонными и обладать большим форматом, например, не менее 1280х720, при малом размере пикселов (порядка 20 мкм), более перспективны МПИ на базе СКЯ, поскольку подложки этих МПИ могут иметь существенно большие размеры, чем подложки КРТ-приемников [60,65,82].

В то же время освоение промышленной технологии изготовления КРТ-МПИ на кремниевых подложках, которые хорошо совместимы с кремниевыми схемами накопления и считывания зарядов, приведет к заметному уменьшению термических деформаций конструкции и неоднородности параметров отдельных элементов ФПУ, что позволит увеличить форматы ФПУ, а также снизить стоимость этих устройств.

Другими направлениями совершенствования двухдиапазонных матричных приемников на базе КРТ являются улучшение «спектрального разделения» и обеспечение одновременного считывания сигналов в обоих рабочих спектральных диапазонах. Для приемников на базе СКЯ такими направлениями являются увеличение чувствительности и повышение частоты кадров за счет снижения времени накопления зарядов в схеме считывания.

Перспективной представляется разработка адаптивного двухдиапазонного ФПУ, описанная в [75]. Устройство состоит из матрицы элементарных перестраиваемых спектральных фильтров, имеющих размер порядка одного или нескольких фотоприемных пикселов. Матрица фильтров соединена с матричным двухдиапазонным МПИ. Управляемые микромодульным блоком (ММБ) фильтры позволяют выделить одновременно узкие полосы в диапазоне 8…12 мкм и широкий диапазон 3…5 мкм. Каждый элемент матрицы фильтров может перестраиваться независимо от других.

Элемент матрицы фильтров представляет собой миниатюрный эталон Фабри-Перо с изменяемым воздушным промежутком 3 между зеркалами 4, образующими оптический резонатор (рис.25). Изменение этого промежутка (глубины резонатора d) ведет к перестройке спектральной характеристики пропускания фильтра. Пик полосы поглощения лм, определяемый резонатором, можно рассчитать по формуле

,

где n - показатель преломления среды, заполняющей резонатор (n = 1 для вакуума), k - порядок резонатора.

Для d ? 2,5 мкм при k = 0 лм= 10 мкм, что соответствует максимуму излучения многих объектов в длинноволновом ИК-диапазоне. Для k = 1 лм= 3,33 мкм, что показывает возможность использования такой конструкции для приема излучения в средневолновом ИК-диапазоне.

Кремниевая подложка 1 с противоотражающим покрытием 2 является общей для всех фильтров матрицы. На нижнюю ее поверхность наносятся неподвижные зеркала эталонов Фабри-Перо. Подвижные зеркала эталонов наносятся на тонкие (толщиной 20 мкм) кремниевые подложки 6 с противоотражающим покрытием 2, соединяемые с помощью термокомпрессионных прокладок 5 с общей толстой подложкой 1. Конструкция подвижного зеркала должна обеспечивать его плоскостность и параллельность неподвижному зеркалу при возникновении напряжений в его подложке из-за деформаций многослойного отражающего покрытия. Для этого используются длинные уголковые кремниевые пружины 7, расположенные по периферии подвижного зеркала по его углам.

Такая конструкция позволяет также увеличить плотность размещения элементов в матрице фильтров. Расчеты показали, что для получения узких полос в диапазоне 8…12 мкм и хорошего пропускания в диапазоне 3…5 мкм допуск на плоскостность и параллельность не должен превышать 35 нм. Конструкция ММБ рассчитана так, чтобы обеспечить этот допуск как при криогенных, так и при комнатных температурах.

К подвижной и неподвижной частям эталона прикладывается постоянное напряжение, меняя которое, можно изменять величину зазора между зеркалами и тем самым длину волны излучения, проходящего через резонатор. Предполагается усовершенствовать конструкцию матрицы фильтров, вводя специальный мультиплексор для управления каждым элементом в отдельности.

В сочетании с описанной конструкцией используется двухдиапазонное ФПУ со схемой одновременного и независимого съема сигналов в каждом рабочем спектральном диапазоне. Гибридизация ММБ и ФПУ минимизирует параллакс и перекрестные связи между двумя спектральными каналами.

В отличие от некоторых известных систем, в которых перестраиваемый фильтр - эталон Фабри-Перо помещается перед объективом, чтобы избежать изменений спектральной характеристики фильтра при больших углах падения лучей, и в которых меняется спектральный состав излучения всей наблюдаемой сцены, в предлагаемой конструкции такое изменение возможно вести для отдельных пикселов или их групп, т.е. отдельных участков сцены. Это позволяет создать систему, адаптивную не только по отношению к спектру излучения наблюдаемой сцены, но и к ее пространственно-временной структуре.

В устройстве, описанном в [75], в качестве зеркал используются тонкие пленки Ge и ZnS. Поскольку оптический резонатор предназначен для выделения полос в диапазоне 8…12 мкм, зеркала должны иметь достаточный коэффициент отражения в этом участке спектра и обладать хорошим пропусканием в диапазоне 3…5 мкм. Исходя из этого подбирались материалы и показатели преломления зеркальных пленок. Аналогично подбирались материалы и толщины противоотражательных покрытий.

На рис.26 представлены расчетные спектральные характеристики ММБ [75]. В расчетах учитывались параметры зеркал и противоотражательных покрытий, а также интерференция в тонкой кремниевой подложке подвижного зеркала и величина угла падения лучей на плоское зеркало (апертура принималась равной f?/6,5). Каждая из кривых (сплошная, пунктирная, точечная и т.д.) соответствует различным длинам резонатора (толщинам воздушного промежутка между зеркалами), изменявшимся от 3,1 до 5,6 мкм. Промежуточные (между 5 и 8 мкм ) полосы могут быть устранены с помощью режекторного фильтра.

При исследованиях первого опытного образца ММБ с размерами пикселов матрицы фильтров 200х200 мкм и воздушным промежутком резонатора порядка 17 мкм была получена спектральная характеристика, показанная на рис.27. Постоянное напряжение, прикладываемое к фильтрам, изменялось от 0 до 45 В, что приводило к изменению положения центра узкой полосы спектра в диапазоне 8…12 мкм от 11 до 8 мкм, соответственно. При температуре 77 К отклонения от плоскостности подвижного зеркала не превышали 25 нм.

Можно отметить, что меньшее пропускание в области 8…12 мкм, по сравнению с областью 3…5 мкм, может оказаться полезным при работе МОЭС с таким ФПУ по объектам и сценам, имеющим температуру близкую к 300 К, поскольку снизит требования к емкости ячеек схемы накопления и считывания зарядов, собираемых в диапазоне 8…12 мкм.

Совершенствование двух- и многодиапазонных приемников излучения ряд исследователей связывает с появлением фотоприемных структур с квантовыми точками (QDIP), чувствительных в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах [48,114,164] и обладающих следующими потенциальными преимуществами перед фотоприемниками на базе СКЯ:

- поглощение нормально падающего на фоточувствительный слой излучения, обусловленное трехмерной локализацией электронов (или дырок);

- более высокая чувствительность благодаря более продолжительному времени жизни возбужденных электронов, что связано с сильным подавлением электронно-фононного рассеяния;

- работоспособность при более высокой температуре из-за малых темновых токов.

Так, в [164] сообщалось о фотоприемнике на базе структур InAs-QDIP, выращенных на InP-подложках, с обнаружительной способностью 1010 Вт-1см Гц 1/2 при рабочей температуре 77 К и смещении -1,1 В. Спектральная характеристика чувствительности такого приемника имела резко выраженный главный максимум на 6,4 мкм и побочный максимум на 24 мкм. При температуре 100 К и смещении -1 В обнаружительная способность составляла 2,3?109 Вт-1см Гц 1/2. Ранее те же авторы сообщали о МПИ на базе квантовых точек n-типа InGaAs/InGaP формата 256 х 256 для среднего ИК-диапазона с обнаружительной способностью 3,6?1010 Вт-1см Гц 1/2 при рабочей температуре 95 К.

Для работы в дальнем ИК-диапазоне изыскиваются возможности создания новых типов приемников излучения. К ним относятся приемники, использующие так называемые решетки на деформированных слоях (strained-layer superlattice - SLS) [148,149]. Эти приемники могут иметь граничную длину волны спектральной характеристики, изменяющуюся от 3 до 25 мкм, и работают при тех же температурах, что и КРТ-приемники. В отличие от СКЯ-приемников они имеют широкую спектральную характеристику и работают в фотогальваническом режиме, а не в режиме фотопроводимости. Они механически устойчивы и более однородны, чем КРТ-МПИ. По сравнению с приемниками из Si:As у них выше рабочая температура - 40 К вместо 10 К.

В [16] описываются первые результаты разработки двухдиапазонного фотодиода на базе так называемых W-структурированных сверхрешеток типа-ЙЙ (T2SL или WSL), которые, как и СКЯ-приемники, представляют собой многослойные структуры из полупроводников ЙЙЙ-V групп, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Ожидается, что при изготовлении МПИ на основе T2SL будет легче контролировать спектральную характеристику; они будут иметь меньшую неоднородность параметров отдельных пикселов, по сравнению с КРТ-МПИ, и более высокую квантовую эффективность, нежели СКЯ-МПИ, за счет поглощения нормально падающего излучения. Опытные образцы приемников на базе структур Al0,71In0,29As0,08Sb0,92 и Ga0,71In0,29As0,08Sb0,92 с промежуточными слоями InAs, работавшие при охлаждении до 50 К, имели рабочие спектральные диапазоны (на уровне 0,5 от максимума чувствительности): 4,0…11,4 мкм со слабо выраженным максимумом около 10 мкм (квантовая эффективность - около 4%) и 10…17 мкм с более явно выраженным максимумом около 14 мкм (квантовая эффективность - около 5%).

3. Многодиапазонные матричные фотоприемники

Неоднократно отмечалось, что для ряда важных практических применений ОЭС недостаточно иметь только два спектральных канала, работающих в реальном масштабе времени, а нужно довести их число до 3-х…4-х и более. Поэтому усилия многих разработчиков направлены на создание соответствующих многодиапазонных МПИ. Так, в [23] сообщается о создании трехдиапазонного СКЯ на базе AlGaAs/GaAs с хорошо разрешаемыми максимумами спектральной характеристики на 7,0; 8,5 и 9,8 мкм.

Отделение перспективных систем Агенства по противоракетной обороне США (Missile Defense Agency/Advanced Systems) поддерживает разработку трехдиапазонного МПИ на базе КРТ формата 256х256 с размерами пиксела 30 мкм, которые ведутся компанией DRS [64]. Конструкция МПИ подобна описанной выше конструкции двухдиапазонного фотовольтаического приемника с добавлением еще одного - третьего фоточувствительного слоя. Длинноволновая граница спектральной чувствительности МПИ должна находиться в области 10…12 мкм.

При поддержке Министерства обороны США компанией Lockheed Martin Missiles and Fire Control проводится разработка трехдиапазонного МПИ, использующего СКЯ на базе InGaAs/AlGaAs для приема излучения в узкой полосе с лмакс= 5,1 мкм и тройную структуру с квантовыми ямами на базе InGaAs/AlGaAs/InGaAs для приема излучения в двух полосах внутри длинноволнового ИК-диапазона с лмакс на 9,2…10,0 мкм и 12,0…12,2 мкм [100].