Характеристика

Многоэлементные фотоприемники инфракрасных изображений, относящиеся к важнейшим компонентам элементной базы оптоэлектроники, используются в современных системах контроля, наблюдения, оповещения, наведения и автоматической обработки оптической информации антитеррористического, гражданского и военного назначения.

Примеры кристаллов мультиплексоров (разработка ИФП СО РАН; производство ОАО «Ангстрем»).

В гибридном исполнении многоэлементные инфракрасные фотоприемники состоят из двух кристаллов, выполняющих две разные функции, во-первых, полупроводникового кристалла с матрицей фоточувствительных резисторов или фотодиодов определенной размерности, во вторых, кремниевого кристалла - мультиплексора такой же размерности. Полупроводниковый кристалл с матрицей фоточувствительных элементов (ФЧЭ) служит первичным преобразователем интенсивности (яркости) излучения выбранного спектрального диапазона в электрический сигнал в каждом пикселе изображения. Кремниевый кристалл является интегральной схемой матричного или линейчатого мультиплексора, который обеспечивает оптимальные электрические режимы работы и осуществляет считывание фотосигналов ФЧЭ в каждом пикселе, позволяет исключить механическую развертку изображения и, в конечном итоге, в значительной степени определяет качество получаемого тепловизионного изображения в целом. Кристаллы соединяются друг с другом методом групповой холодной сварки с использованием индиевых «микростолбов». Засветка собранного фотоприемника осуществляется сквозь тыльную поверхность полупроводниковой пластины.

В монолитном исполнении ИК фотоприемника фоточувствительные элементы создаются методом эпитаксии слоев различных материалов (PtSi, SiGe и др.) в специально отведенных местах в ячейках мультиплексора на его кремниевой подложке или подвешиваются на ножках над каждой ячейкой мультиплексора, как в случае микроболометров.

Эффективная работа современных ИК фотоприемников во многом обеспечивается интегральными схемами считывания фотосигналов детекторов - кремниевыми мультиплексорами. В настоящее время разработка кремниевых кристаллов мультиплексоров сформировалась как самостоятельное научно-техническое направление. Внутренняя структурная и схемная организация кремниевых мультиплексоров развиваются одновременно с развитием технологии ИК фотодетекторов, часто опережая уровень развития ФЧЭ.

В ИФП СО РАН проведены промышленно ориентированные научно- технические разработки кремниевых мультиплексоров, предназначенных для считывания и обработки фотосигналов с матричных и линейчатых приемников изображений на основе МСКЯ и КРТ для спектральных диапазонов 8–14 и 3–5 мкм. Разработанные мультиплексоры и их основные параметры представлены в Таблице.

Технико-экономические преимущества

Изготовленные кремниевые мультиплексоры обеспечивают создание фотоприемников разного формата для спектральных ИК-диапазонов 8-14 и 3-5 мкм с температурным разрешением, соответствующим уровню мировых образцов.

Области применения

Многие ведущие фирмы, которые разрабатывали матричные ИК ФП, прошли следующий путь. Сначала были созданы простые мультиплексоры небольшого формата с поэлементным накоплением фотосигналов, которые были использованы для разработки и оптимизации конструкций ФЧЭ и технологий изготовления КРТ фотодиодов и фоторезисторов на МСКЯ для монолитных и гибридных ИК ФП. На их основе созданы автоматизированные установки на основе ПК для исследования характеристик фотодетекторов по полю матрицы и получения экспериментальных ИК-изображений.

Мультиплексоры с построчным накоплением (ММПН) фотосигналов фотодиодов предназначены для использования на этапе доработки технологии изготовления ИК ФЧЭ, когда ожидаются большие темновые токи, для изготовления слабоохлаждаемых ИК ФП среднего и для охлаждаемых ИК ФП дальнего спектрального диапазона. Некоторые фирмы и в настоящее время серийно производят фотоприемники на базе мультиплексоров с построчным накоплением сигналов ФЧЭ. Иногда это связано с уровнем технологии фотодетекторов, но чаще с особенностями конструкции ФЧЭ и их характеристиками, как например, в случае микроболометров.

Наибольшее распространение получили матричные мультиплексоры с кадровым накоплением (ММКН), поскольку они могут обеспечивать режим одновременного накопления фотосигналов всех ФЧЭ матрицы, что является важным для ряда применений.

Уровень практической реализации

Часть опытных образцов мультиплексоров создана на базе экспериментальной кремниевой технологии ИФП СО РАН. Ряд мультиплексоров спроектирован для технологий ОАО «Интеграл», ОАО «Микрон» и ФГУП «Восток» в режиме «кремниевой мастерской». Остальные созданные кристаллы разработаны в ИФП СО РАН и освоены к производству на ОАО «Ангстрем».