Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) (стр. 7 из 9)
– собственные детекторы;
– примесные детекторы.
Второй класс детекторов ИК-излучения – тепловые детекторы. В тепловом детекторе падающее излучение при поглощении изменяет температуру материала и результирующее изменение некоторых физических свойств используется для генерации электрического выходного сигнала.
Сигнал не зависит от фотонной природы падающего излучения. Так как тепловые эффекты обычно не зависят от длины волны, выходной сигнал зависит от мощности излучения (или скорости её изменения), а не от его спектрального состава. При этом предполагается, что механизм, ответственный за поглощение излучения, сам по себе не зависит от длины волны, что, строго говоря, неверно в большинстве других случаев. В пироэлектрических детекторах измеряется изменение внутренней электрической поляризации, в то время, как в случае термисторных болометров – изменение электрического сопротивления. В отличие от фотоприёмников, тепловые детекторы обычно действуют при комнатной температуре. Они, как правило, характеризуются невысокой чувствительностью и большой инерционностью (потому что нагрев и охлаждение элемента детектора происходит довольно медленно), но дешевле и удобнее. Из-за своей дешевизны они широко используются там, где не требуются высокая эффективность и быстродействие. Будучи неселективными приборами, они часто применяются в ИК-спектрометрах.
Неохлаждаемые, монолитные матричные приёмники фокальной плоскости (МФП) на основе тепловых детекторов могут коренным образом изменить направление разработок формирователей теплового изображения.
Теперь рассмотрим более подробно приборы на основе КРТ
Приемники на основе КРТ.
На рис. 11 представлена типичная структура HgCdTe фоторезистора. Основной частью такой структуры является слой HgCdTe толщиной 3–20 мкм с контактами. Оптимальная толщина активной области (несколько микрометров) зависит от рабочей температуры и имеет меньшее значение в неохлаждаемых устройствах. Толщина обычно выбирается порядка a-1, где а – коэффициент оптического поглощения. Если толщина меньше, чем диффузионная длина неосновных носителей заряда, рекомбинация носителей заряда на поверхности может преобладать в процессе рекомбинации для некорректно изготовленного детектора. Чтобы получить времена жизни, ограниченные объемными процессами, необходимо уменьшить скорость поверхностной рекомбинации приблизительно до 500 см/с. Это может быть достигнуто обработкой поверхности таким способом, чтобы предотвратить отток носителей на поверхность путем слабого ее обогащения. В результате изгиба зон появляется электрическое поле, которое уменьшает поток неосновных носителей к поверхностным рекомбинационным центрам. Для получения обогащенной поверхности с низкой скоростью рекомбинации часто используется собственный оксид на верхней поверхности, полученный анодным окислением. Верхняя поверхность обычно покрывается пассивирующим слоем и антиотражающим покрытием. Поверхность с обратной стороны приемника также пассивируется. Напротив, поверхность тыльной стороны эпитаксиального слоя, выращенного на CdZnTe подложке, не требует никакой пассивации. Детекторы соединяются с теплопроводящими подложками.
Для увеличения поглощения излучения детекторы иногда снабжаются тыльным золотым отражателем, изолированным от фоторезистора слоем ZnS или подложкой. Толщина полупроводника и двух диэлектрических слоев выбирается таким образом, чтобы получился оптический резонатор со стоячими волнами в структуре с максимумами на передней поверхности и узлами – на обратной.
Рис. 11 Поперечное сечение типичного HgCdTeфоторезистора
Фоторезисторы на объёмных монокристаллах КРТ.
Для большинства фоторезисторов на основе HgCdTe используется объемный материал, выращенный методом Бриджмена или методом твердотельной рекристаллизации, хотя сейчас применяется материал, изготовленный методами газо- и жидкофазной эпитаксии: ЖФЭ, МОСГФЭ и МЛЭ
В течение последующих с начала развития лет технология изготовления ОМ КРТ перетерпела ряд важных изменений. Была разработана и освоена технология выращивания МК из двухфазной смеси и внедрено легирование монокристалла индием. Первое мероприятие обеспечивало более высокую однородность состава и свойств МК по пластине, увеличивало выход годных. Легирование индием решило проблему стабильности ОМ КРТ, повысило однородность электрофизических и фотоэлектрических свойств, а также повысило выход годных. Изменения технологии получения ОМ КРТ неизбежно приводили к изменениям технологии изготовления фотоприемников. Главным направлением в разработке фотоприемников для тепловидения было создание фоторезисторов из ОМ КРТ на диапазон 8 – 14 мкм. До сегодняшнего дня фоторезисторы из КРТ являются основными сенсорами в различных видах тепловизионной техники.
Фоторезистор из КРТ способен использовать большую часть излучения в атмосферном окне (8 – 14 мкм), так как максимум спектральной чувствительности может приобретать в зависимости от состава КРТ любые значения в окне 8 – 14 мкм практически без ухудшения обнаружительной способности.
Фоторезисторы из ОМ КРТ, используемые в настоящее время, достигли параметров, близких к теоретическому пределу (ограничение фоном). При серийном производстве фотоприёмников и фотоприемных устройств возникают определённые трудности в реализации предельных параметров.
Особенности фоторезисторов на объёмных кристаллах КРТ.
Сопротивление фоторезистора.
Высокая подвижность носителей в n-типе КРТ, μ≥105 см2/В*с и достаточно высокая собственная концентрация ni (ni 77K = 3*1013 см-3) для Eg = 0,1 эВ, по сравнению с полупроводниками с большей шириной запрещённой зоны,
ni = (2πkT/h2)*(me*mp)¾*e-ΔE/kT,
где T – температура полупроводника;
h – постоянная Планка;
me – эффективная масса электрона;
mp – эффективная масса дырки;
ΔE – ширина запрещённой зоны;
k – постоянная Больцмана,
и определяют высокую электропроводность ОМ КРТ
σ = μ*n*e.
Ограничения на уменьшение толщины рабочего слоя фоточувствительного элемента (ФЧЭ), накладываемые технологией утоньшения при химико-механическом полировании приклеенных к технологической подложке пластин, затрудняют получение достаточно высоких сопротивлений ФЧЭ путём уменьшения толщины слоя. Фоторезисторы из КРТ низкоомные. Величина сопротивления обычно 50 -70 ОМ в образцах с квадратной площадкой ФЧЭ. Стабилизирующий анодный окисел на нижней, приклеенной к подложке, поверхности ФЧЭ создаёт фиксированный заряд в приповерхностном слое, что снижает сопротивление до 25 – 35 Ом. При этом толщина рабочего слоя КРТ составляет 13 – 15 мкм. Низкое сопротивление фоторезистора создаёт определённые трудности, в его сопряжении с электроникой первичной обработки сигналов изображения. Низкое сопротивление фоторезистора приводит также к необходимости обеспечить значительные, по масштабам ФЧЭ, токи смещения, необходимые для получения максимального сигнала.
Шумы фоторезистора.
Фоторезисторы из ОМ КРТ имеют очень низкие шумы. Это связано как с достаточно большой величиной собственной концентрации, так и с относительно малым временем жизни носителей.
Генерационно-рекомбинационный шум при тепловом ограничении (см. выше)
UG-R = 2*Uсм*[p0τΔf/n0*(n0+p0) V]1/2
Uсм – напряжение смещения,
τ – время жизни неосновных носителей заряда,
n0 и p0– темновые концентрации электронов и дырок,
V – объём ФЧЭ,
Δf– информационная полоса частот.
При ограничении фоном, когда концентрация дырок в n-типе, генерируемых фоновым излучением становится сопоставимой с n0, может измениться время жизни τ. Это скажется на изменении генерационно-рекомбинационного шума. Насыщение вольтовой чувствительности при увеличении напряжения смещения также связано с уменьшением времени жизни неравновесных носителей под влиянием фона и приводит также к зависимости генерационно-рекомбинационного шума от фона. То есть, «пролёт» носителей и фон влияют на генерационно-рекомбинационный шум через τ.
UG-R = (eμnR/μd)*[ηФВlbΔf]½
где ФВ – фоновый поток,
l – длина фоточувствительной площадки,
b – ширина фоточувствительной площадки,
μd – дрейфовая подвижность.
То есть, имеет место насыщение генерационно-рекомбинационного шума, при млых фонах концентрация дырок определяется тепловой генерацией, насыщение генерационно-рекоминационного шума не наступает и в режиме пролета.
UG-R = (2ni/n0) [UeμnRΔf/ μd] ½
где U – напряжение смещения, в этом случае UG-R изменяется как Uсм½.
В реальных высококачественных кристаллах, в которых время жизни неосновных носителей определяется Оже-рекомбинацией и лежит в пределах 10-6 – 20*12-6 с, а концентрация электронов в «n» – типе находится в пределах (2 – 5)*1014 см-3, спектральная плотность шума составляет UG-R = 2,5*10-9 – 3,5*10-9 В*Гц-1/2. Для реализации обнаружительной способности фоторезистора