Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) (стр. 8 из 9)
D* = SU √A/Uш
где SU – вольтовая чувствительность фоторезистора,
А – площадь ФЧЭ.
Uш =√(Uшn2 + Uшy2)
Необходимо существенно снижать шумы предусилителей Uш до 1 -1,5 нВ*Гц1/2, что является достаточно сложной задачей, и повышать вольтовую чувствительность.
Вольтовая чувствительность.
Для фоторезистора, включённого на согласованную нагрузку, вольтовая чувствительность связана с электрофизическими параметрами материала КРТ, геометрией ФЧП, длиной волны и напряжением смещения:
SU = ηUсмτэф/hνnAd
Где η – внешняя квантовая эффективность,
Uсм – напряжение смещения,
τэф – эффективное время жизни неравновесных носителей заряда при рабочей температуре,
hν – энергия кванта в максимуме спектральной чувствительности,
n – концентрация носителей при рабочей температуре (77 К),
А – площадка ФЧП,
d – толщина ФЧП.
Из формулы видно, что в пределах заданного требованиями аппаратуры быстродействия, необходимо выбирать материал КРТ с максимальным временем жизни носителей, τ. А так же необходимо увеличивать до предельных значений напряжение смещения и уменьшать толщину ФЧЭ. По всем выше названным параметрам существуют ограничения. Минимальная концентрация носителей не может быть меньше собственной, которую в материале КРТ, получить очень сложно из-за наличия дефектов с малой энергией активации. Увеличение напряжения смещения ограничено явлением «пролёта» носителей, когда избыточные носители, возбуждённые излучением на одном конце ФЧП, успевают, под действием электрического поля смещения, добежать до противоположного контакта за время дрейфа сравнимое с временем жизни.
τпр = l2/μдрUсм
где l – расстояние между контактами,
μдр – дрейфовая подвижность, определяется медленными носителями заряда (для КРТ х = 0,2 µдр ≈ µp),
Uсм – напряжение смещения.
Увеличение напряжение смещения фоторезистора в соответствии с формулой нахождения SU приводит к увеличению вольтовой чувствительности до тех пор, пока уменьшающееся при этом время пролёта не ограничит SU. Такой режим, когда повышение напряжение смещения не вызывает дальнейшего увеличения сигнала фотоответа называется режимом насыщения вольтовой чувствительности. В этом случае упрощается выражения для нахождения SU. Для КРТ x = 0,215: μn ≥ 105 см2/В*с, μp ≥ 300 см2/В*с. В режиме включения на согласованную нагрузку (RT = RH) вольтовая чувствительность насыщения:
SUn = 1,5 RT103
где RT – темновое сопротивление фоточувствительной площадки (ФЧП).
Так же для получения максимального фотоответа необходимо устранять потери на отражение излучения путём нанесения просветляющего диэлектрического покрытия.
Обнаружительная способность.
Обнаружительная способность при тепловом ограничении определяется по формуле:
D* = (η/2hν) [(n0+p0)τ/n0tp0]½
Где t – толщина слоя фоторезистора.
Для механизма Оже рекомбинации, реализующегося в монокристаллах КРТ высокого совершенства
τA = τAi*2ni/[n0(n0 + p0)]
где τAi – время жизни при Оже рекомбинации в собственном материале.
В этом случае:
D*U = (η/2hν) [2τAi/n0t]½
При скорости поверхностной рекомбинации приблизительно равной нулю и толщине ФЧЭ t ≥ α-1, коэффициент поглощения α ≈ 103 см-1, принимая n0 ~ 4*1014 см-3 и τ ~ 10-3 с при 77 К, получим D*U = 2,2*1012*η, принимая η ≈ 0,8, получим D*U ≈ 1,76*1012. В реальных резисторах необходимо учитывать скорость поверхностной рекомбинации и ограничения, накладываемые фоновым излучением.
Величина обнаружительной способности при термическом ограничении получена также без учёта шумов в виде 1/f. Источником этих шумов, называемых избыточными, являются несовершенство контактов, неоднородность исходного материала КРТ, поверхностная рекомбинация.
Технология изготовления фоторезисторов из объёмных монокрисаллов (ОМ) КРТ в настоящее время достигла достаточно высокого уровня, позволяющего получить минимальные шумы вида 1/f, ограниченные по верхней частоте, как правило, 300 – 500 Гц.
Поскольку информационная полоса частот тепловизионных систем обычно находится в диапазоне 20 – 100 кГц, шумы вида 1/f вносят незначительный вклад в общий шум фоторезистора.
Низкая вольтовая чувствительность и обнаружительная способность наблюдается в фоторезисторах, изготовленных из образцов КРТ, в которых имеются большое число центров рекомбинации, что говорит о некачественном материале КРТ. Такой же результат возможен при неправильной, приводящей к образованию центров рекомбинации, обработке материала КРТ при изготовлении фоторезистора. В этом случае работает иной, быстрый механизм рекомбинации Шокли-Рида. Такие фоторезисторы обладают низкой вольтовой чувствительностью и обнаружительной способностью.
Правильно сконструированный, изготовленный из высококачественного материала КРТ фоторезистор имеет обнаружительную способность, ограниченную флуктуациями фоновых носителей (фоновое ограничение).
Стабильность параметров фоторезистора.
Низкая энергия активации некоторых дефектов в ОМ КРТ, связанных с вакансиями ртути и междоузельной ртутью, приводит к явлениям деградации свойств из-за ухода атомов ртути с поверхности образца и диффузии вакансий ртути внутрь образца. Этот процесс за большой период времени (год – два) может привести к изменению типа проводимости поверхностного слоя, достигающего при продолжительном хранении при повышенных температурах (600 – 700 С) 100 мкм и более.
Длительное время эта проблема сдерживала развитие фотоприёмников из ОМ КРТ. Ситуация изменилась после того, как были разработаны технологии легирования ОМ КРТ индием, пассивации поверхности образцов КРТ и нанесение защитных, в том числе просветляющих, покрытий.
Особое место занимает введение в монокристалл незначительного количества индия (N ~ 1015) в процессе выращивания монокристалла КРТ. Индий – амфотерная примесь в КРТ и является преимущественно донором. Монокристаллы, легированные индием, обладают не только большей стабильностью свойств при длительном хранении, но также большей однородностью по электрофизическим характеристикам и большими значениями времени жизни неравновесных носителей заряда в образцах «n» – типа.
Использование собственного анодного окисла позволило стабилизировать поверхность фоторезистора, но при этом увеличилась проводимость образца за счёт приповерхностного фиксированного заряда, создаваемого анодным окислом в КРТ.
Особенностью материала КРТ является его высокая чувствительность к обработке (шлифованию, полированию, травлению). Исходный, незащищённый образец ОМ КРТ в поверхностном слое ухудшает свои свойства при длительном воздействии повышенных температур (60 – 700С). При изготовлении фоторезистора этот слой нуждается в удалении. Неизбежное утоньшение толстой пластины (1 мм) до толщины рабочего слоя порядка 15 – 17 мкм связано с химико-механической обработкой, которая также даёт нарушенный слой, который необходимо удалять финишным травлением. Это травление приводит к завалам краёв образца, ухудшению плоскости и снижению коэффициента использования ОМ КРТ.
Виды фоточувствительных элементов на основе ОМ КРТ.
Фоточувствительный элемент с запирающими контактами.
Первым способом, использованном на практике, для увеличения вольтовой чувствительности фоторезисторов на КРТ диапазона 8 – 14 мкм был способ получения запирающих контактов. Запирающие контакты получались путём обработки подконтактных областей ионами аргона, под действием которых в подконтактной области возникали отрицательно заряженные дефекты. Электрическое поле подконтактной области уменьшало скорость дрейфа неравновесных носителей, продлевая тем самым, время жизни носителей, что приводило к увеличению вольтовой чувствительности при увеличении напряжения смещения в образцах (ФЧП размерами 50х50 мкм), в которых временем жизни носителей в КРТ в объёме было не менее 1 – 2 мкс. Обработка подконтактных областей ионами аргона сопровождалось травлением поверхности и её очищением, что также улучшало качество контактов. Конструкция фоточувствительного элемента с запирающими контактами схематически изображена на рисунке 12.
Рис. 12 Конструкция ФЧЭ с запирающими контактами.
1 – подложка контактного растра, 2 – контактная дорожка растра, 3 – клей, 4 – подложка ФЧЭ, 5 – клей, 6 – фоточувствительный слой КРТ, 7 – припой, 8 – контакт ФЧЭ, 9 – проводник Au, 10 – защитное просветляющее покрытие, 11 – подконтактный слой n+.
Фоточувствительный элемент с частично затенённой площадкой.
Для увеличения вольтовой чувствительности путём снижения влияния «пролёта» носителей в ряде случаев используются более сложная конструкция и технология изготовления ФЧЭ.