ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НЕКОТОРЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ КРЕМНИЕВЫХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ
ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.382: 621.383.5
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НЕКОТОРЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ КРЕМНИЕВЫХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ
© 2010 г. А. И. Козлов, канд. техн. наук Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск E-mail: kozlov@thermo.isp.nsc.ru
Рассмотрены особенности проектирования и организации кремниевых мультиплексоров для линейчатых и матричных инфракрасных фотоприемников. На этой основе разработаны 19 кремниевых мультиплексоров, предназначенных для совместной работы с многоэлементными фотодиодными детекторами на основе соединения кадмий–ртуть–теллур, с многоэлементными фоторезистивными детекторами на основе многослойных структур с квантовыми ямами и другими типами фотодетекторов со спектральной чувствительностью в диапазонах 3–5 и 8–16 мкм. Мультиплексоры позволяют создавать на своей основе гибридные и монолитные фотоприемники различного формата для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов с достаточно высоким (< 0,02 K) разрешением по температуре.
Ключевые слова: кремниевый мультиплексор, многоэлементный инфракрасный фотоприемник, кремниевая схема считывания фототоков, режим с временной задержкой и накоплением, фотоприемник на основе многослойных структур с квантовыми ямами, фотодиод на основе соединения кадмий–ртуть–теллур.
Коды OCIS: 040.3060, 110.3080, 130.5990
Поступила в редакцию 27.07.2009
Введение
Современные тепловизионные системы строятся на базе многоэлементных приемников инфракрасного (ИК) излучения. Многоэлементные ИК фотоприемники состоят из двух основных частей: многоэлементной фоточувствительной структуры и кремниевой схемы считывания (мультиплексора). Мультиплексор – это интегральная схема (ИС) или, точнее, кремниевый кристалл, на котором выполнена схема считывания электрических сигналов, полученных в результате фотоэлектрического преобразования падающего ИК излучения в фоточувствительных элементах (ФЧЭ). В гибридном исполнении ИК фотоприемника фоточувствительный и кремниевый кристаллы соединяются друг с другом методом групповой холодной сварки с использованием индиевых микростолбов [1]. В монолитном исполнении фотоприемника ФЧЭ создаются методом эпитаксии слоев различных материалов в специально отведенных местах в ячейках мультиплексора на его кремниевой подложке.
В литературе имеется большое количество сообщений о кремниевых мультиплексорах [1–12]. Однако современные тенденции развития, ряд проблем проектирования и особенностей организации мультиплексоров, а также их практического применения освещены недостаточно полно и наглядно. В частности, считается, что для достижения предельных характеристик линейчатых ИК фотоприемников обязательно требуются мультиплексоры с временной задержкой и накоплением (ВЗН) фотосигналов. Это не всегда справедливо. Например, незаслуженно не используются матричные мультиплексоры с построчным накоплением, которые наиболее эффективны в некоторых областях ИК спектрального диапазона и при определенных параметрах фотодетекторов. Кроме того, в литературе практически полностью отсутствуют сведения о мультиплексорах для монолитных фотоприемников на основе соединений кадмий–ртуть– теллур (КРТ) и свинец–олово–теллур (СОТ).
В данной работе предпринята попытка объединить достижения последних лет в области
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
19
реализации схем считывания и рассмотреть актуальные вопросы современных тенденций развития, особенностей проектирования, концептуального построения и практического применения кремниевых мультиплексоров для ИК фотоприемников.
В работе представлен унифицированный типоразмерный ряд из 19 мультиплексоров (табл. 1), созданных в Институте физики полупроводников СО РАН (ИФП СО РАН) в кооперации с рядом других предприятий (ОАО “Ангстрем”, СП ООО “Интеко”, НПОО “Микротелеком”, ЗАО “Матричные технологии” и ФГУП “НПП “Восток”) [1–7].
Современные тенденции развития мультиплексоров
Ведущими фирмами (например, “SOFRADIR”) разработаны и в настоящее время серийно производятся типоразмерные ряды линейчатых (288×4 {LW}, 480×6 {LW}) и матричных (320×256 {SW, MW, LW}, 384×288 {LW}, 500×256 {SW}, 640×512 {MW, LW}, 1000×256 {SW}, 1280×1024 {MW}) фотоприемников дальнего (LW), среднего (MW) и ближнего (SW) ИК спектральных диапазонов [10].
В составе фотоприемника линейчатый или матричный мультиплексор обеспечивает требуемые электрические режимы работы ФЧЭ, осуществляет считывание фототоков ФЧЭ, позволяет исключить механическую развертку изображения по одной или по двум координатам и, в конечном итоге, в значительной степени определяет качество получаемого тепловизионного изображения в целом.
Представленные на мировом рынке типоразмерные ряды кремниевых мультиплексоров постоянно пополняются новыми моделями. Разные модели кремниевых ИС считывания отличаются форматом, входными схемами, зарядовой емкостью и шагом ячеек. Следует отметить, что максимальный формат матриц обычно понижается с увеличением рабочей длины волны ИК фотоприемника. Причина – большой размер ячейки, определяемый длиной волны излучения. Кремниевые мультиплексоры обычно работают при температурах 65–300 K, что обеспечивает их применение при изготовлении как охлаждаемых (65–80 K), так и слабоохлаждаемых (200–210 K) фотоприемников. Авторами статьи разработаны мультиплексоры, функционирующие и при более низких температурах (до 4 K).
В настоящее время идет процесс стандартизации кремниевых мультиплексоров [11]. Так, имеет место унификация внутренней структуры мультиплексора и его основных элементов (входных схем считывания и предварительной обработки, зарядочувствительных, столбцовых и выходных усилителей). В этом случае построение кремниевой ИС осуществляется из базовых элементов с использованием типовых норм КМОП-технологии. С другой стороны, кремниевые мультиплексоры становятся более универсальными и предназначены для считывания фотосигналов с целого ряда фотодетекторов: с ФЧЭ на основе HgCdTe, QWIP (AlGa/GaAlAs), SiGe/Si и InGaAs.
Cтремительное уменьшение топологических норм КМОП-технологии и развитие системного проектирования обеспечило качественно новую парадигму в разработке кремниевых ИС, кратко выражаемую следующей формулой – “система на кристалле”. Это позволяет поставить вопрос о создании цифрового интеллектуального мультиплексора для ИК ФПУ, а в перспективе и интеллектуального тепловизора в одно- или двухкристальном исполнении.
Гибридные фотоприемники
Линейчатые мультиплексоры
Наиболее простым из линейчатых ИС считывания является линейный мультиплексор (ЛМ) с однорядным расположением ФЧЭ (в таблице – ЛМ 1×576, ЛМ 1×288, ЛМ 1×32 и КТ-2К) [3]. Главные особенности однорядного мультиплексора заключаются, во-первых, в возможности размещения в каждой ячейке большой программируемой емкости накопления с максимальным общим значением до 3×108 электронов и более, во-вторых, в возможности построения входного узла по схеме буферированной прямой инжекции, обеспечивающей высокую (не более ± 6 мВ) однородность смещения фотодетекторов, что позволяет успешно использовать схему для работы с КРТ-фотодиодами не только среднего, но и дальнего, и сверхдальнего ИК спектральных диапазонов, в условиях больших (до 300 нА и более) темновых и/или фоновых токов и жестких требований к однородности напряжений смещения [3, 4].
Мультиплексор ЛМ 1×576 состоит из 576 каналов считывания фотосигнала 2, четырех сдвиговых регистров и четырех выходных шин считывания (рис. 1). Каждый канал считыва-
20 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Таблица 1. Разработанные кремниевые мультиплексоры для ИК фотоприемников
Наименование
Формат
Особенности схемы
Шаг, мкм
Емкость накопления, 106 эл.
Тактовая Макс. входной Выходное
частота, МГц
ток, нА
напряжение, В
линейчатые мультиплексоры для гибридных фотоприемников
КТ-2К ЛМ 1×288
1×64 1×288
БПИ ПИ
100 156 28 18–300
> 1 > 300 > 5 > 300
2,2 2,0
ЛМ 4×288
4×288 ВЗН по 4 элт.
28×43
12,5
< 2 15
3,0
Динамический диапазон, дБ
78 79 70
МК-М-1 ЛМ-1 1×576 ЛМ-2 1×576
МХ2 МХ4 ММ-В ММ-А ММПН 128 ММ-1 320 ММ-2* 320
4×288 1×576 1×576
32×32 128×128 128×128 128×128 128×128 320×256 320×256
ВЗН по 4 элт.
28×43
25
< 2 30
3,0
70
ПИ
30
18–260
> 3,5
> 300
3,0
79
БПИ
30
18–260
> 3,5
> 300
3,0
79
матричные мультиплексоры для гибридных фотоприемников
ПД 100 исследовательский мультиплексор с внекристальным накоплением
ПД 50 исследовательский мультиплексор с внекристальным накоплением
ПИ
50 28
> 1 150
0,3
78
ПИ
50 37,5
> 1 > 150
0,5
79
ПИ, ПН, ВПУ
40
18–300
> 1 > 300
2,1
78
ПИ
40 18
> 2 > 40 > 0,8
76
ПИ
30 15
> 2 35
1,0
76
ММПН 320 Карат 320
ЛМ 1×32 ЛM* 2×2×480
МКРТ32 ММПН* 160
320×256 320×240
1×32 2×2×480
32×32 160×128
ПИ, ПН, ВПУ
35
18–300
> 2 > 300
2,1
78
ПИ, ВПУ
35 12,5
> 4 30
3,0
70
линейчатые мультиплексоры для монолитных фотоприемников
ИПД
200 320
> 1 500
1,0
79
для болометров
51
—
0,001
—
—
—
матричные мультиплексоры для монолитных фотоприемников
ПД 150 исследовательский мультиплексор с внекристальным накоплением
ПИ, ПН, ВПУ
75
18–300
> 4 > 300
2,0
78
Примечание. * – модель находится в разработке, БПИ – буферированная прямая инжекция, ПИ – прямая инжекция, ВЗН – временная задержка и накопление, ПД – прямой доступ к фотоприемнику, ПН – построчное накопление фотосигнала, ВПУ – вычитание постоянного уровня, ИПД – истоковый повторитель на детектор.
21
ния мультиплексора непосредственно соединен с фотодиодом через контактную площадку 1 с индиевым микростолбом и содержит входную схему, переключаемую емкость накопления, активный транзистор истокового повторителя и ключ Si (i = 1, 2, … 576). С помощью входной схемы устанавливается напряжение смещения на фотодетекторе (ФД) и считывается фототок. Фототок интегрируется на емкости накопления, которая периодически заряжается до напряжения источника питания. Заряд, образуемый интегрированием входного тока за время накопления, для мультиплексора является сигнальным зарядом. Уровни заряда и разряда каждой емкости передаются на выход с помощью активного транзистора истокового повторителя и ключа. Разность этих уровней фиксируется схемой двойной коррелированной выборки (ДКВ) один раз за период опроса всех каналов считывания. Схема ДКВ также позволяет подавить 1/f-шум выходного транзистора, шумы и “наводки” по цепям питания и выходного сигнала.
Входной узел канала считывания мультиплексора ЛМ-2 1×576 выполнен по схеме буфе-
рированной прямой инжекции (рис. 2). Операционный усилитель в данной схеме, помимо функции формирования постоянного, термостабильного смещения (с однородностью ± 6 мВ), обеспечивает низкое входное сопротивление схемы считывания, что важно при работе с низкоомными фотодатчиками дальнего ИК спектрального диапазона. Минимальное сопротивление детектора, которое обеспечивает режим считывания мультиплексора с шумами, ограниченными флуктуациями фонового потока ИК излучения, составляет около 200 кОм при времени накопления tнак = 40 мкс. При больших временах накопления сопротивление датчика должно быть еще большим.
Рассмотренная выше схема линейного мультиплексора при изготовлении может обеспечить высокий процент выхода годных кристаллов и пониженное энергопотребление, и во многих случаях использование линейных мультиплексоров может оказаться экономически целесообразным.
В случае, когда требуется достижение предельных характеристик ИК фотоприемников,
Выход 2
Сдвиговый регистр
Сдвиговый регистр
Выход 4
S2 S4 22
S288 2
S290 2
S574 2
S576 2
1 Выход 1
2 60
4
13
22 S1 S3
288 290
30 1
574 576
250
287 289
22
S287
S289
573 575
2 S573
2
S575 Выход 3
Сдвиговый регистр
Сдвиговый регистр
Рис. 1. Функциональная схема кремниевого мультиплексора ЛМ 1×576 (общая для ЛМ-1 и ЛМ-2). 1 – вход-
ные контактные площадки с индиевыми микростолбами (1 – 576), 2 – каналы с ключами Si считывания выходного сигнала S1 – S576.
22 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Vсм In столб
ФД
ЕП ОУ
Т2 Т1
CH1
S1 S2 CH2 CH3
ЕП
Т3 Si
i + 1/2 i
Регистр сдвига
Ф2 Ф1 Ф3
Vсм2
ДКВ
Выход
Т4
Рис. 2. Схема одного канала мультиплексора ЛМ-2 1×576. Входной узел выполнен по схеме буферированной прямой инжекции. ФД – фотодетектор, ОУ – операционный усилитель, ДКВ – схема двойной коррелированной выборки.
используется режим с временной задержкой и накоплением (ВЗН). Линейчатые мультиплексоры МК-М-1 и ЛМ 4×288 выполнены по схеме с ВЗН фототоков КРТ-диодов спектральных диапазонов 8–10 и 3–5 мкм [7]. При сканировании изображения тактовая частота работы линейчатого мультиплексора с ВЗН выбирается так, чтобы задержка между отдельными входами была равна времени перемещения изображения от одной линии детекторов к другой. В процессе ВЗН для группы из 4 детекторов осуществляется четырехкратное когерентное суммирование сигнального фототока. Шумы при этом складываются некогерентно, за счет чего в режиме ВЗН обеспечивается выигрыш в отношении сигнал/шум, равный 4 = 2 [7].
За счет ВЗН обеспечивается увеличение эффективного времени накопления фотосигналов и повышение надежности из-за возможности дублирования дефектных ФЧЭ, с соответствующим достижением более высокого уровня технических характеристик тепловизионных систем. Однако создание и использование таких мультиплексоров связано с определенными трудностями получения приемлемого процента выхода годных кристаллов, сложностью в управлении и их практическом применении [7]. Емкости накопления линейчатых мультиплексоров с ВЗН ограничены величиной примерно 2,5×107 электронов, поэтому область использования
таких схем ограничивается средним и началом дальнего ИК спектрального диапазона. Кроме того, требуется обеспечение высокого уровня технологии изготовления многоэлементной фоточувствительной структуры для минимизации темновых токов фотодетекторов.
Матричные мультиплексоры
Для КРТ-фотодиодов с низкими темновыми токами и высокими дифференциальными сопротивлениями можно использовать обычные современные матричные мультиплексоры с кадровым накоплением (ММКН) и умеренными емкостями, расположенными в каждой ячейке матрицы.
Принцип организации одного из ММКН поясняет функциональная схема, которая представлена на рис. 3. Мультиплексор ММ-1 состоит из следующих основных частей: матрица из 320×256 ячеек считывания, горизонтальный и вертикальный регистры, 320 каналов считывания, выходной усилитель.
В каждой ячейке с помощью входного транзистора на фотодиоде устанавливается напряжение смещения Vсм и считывается фототок. Фототок интегрируется на емкости накопления Сi, j. Накопленный заряд при открытом ключе адресации считывается истоковым повторителем Ai, j. Последующая зарядка емкости Сi, j
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
23
осуществляется с помощью транзистора сброса Sсбр. Емкость формируется между встроенным n+ каналом и поликремниевым электродом первого уровня, что позволило получить при размере ячейки 40×40 мкм емкость накопления 1,8×107 электронов.
При считывании фотосигнала каждая ячейка опрашивается два раза. Первый раз – фиксируется уровень накопленного сигнального заряда, второй раз – уровень сброса емкости накопления. Уровень сброса и уровень сигнала считываются отдельно, что позволяет схеме ДКВ подавить 1/f шум и геометрический шум ячеек считывания [12]. Полученные сигналы мультиплексируются на выход с помощью горизонтального регистра.
Время накопления в этом мультиплексоре определяется длительностью импульса напряжения смещения Vсм, подаваемого на входные транзисторы в интервале времени между считыванием кадров ИК изображения. Время кадра равно сумме времени накопления и времени опроса кадра изображения. Этот режим работы называют режим “мгновенного фотоснимка” (“snapshot”).
Недостаток режима “snapshot” проявляется либо в зависимости частоты кадров от времени накопления, либо в необходимости выделять между кадрами паузу под импульс Vсм, длительность которой равна максимально необходимому времени накопления, что приводит к увели-
Вертикальный регистр
Vсм In столб
Е Sсбр
Ai, j
ФД Сi, j
1 11
S1
S319
S320
A0 Выход
Горизонтальный регистр
Рис. 3. Схема кремниевого мультиплексора MМ-1 320×256. 1 – каналы считывания, Si – ключи считывания выходного сигнала i-го
канала (1 – 320).
чению доли кадрового времени, когда фотосигналы не считываются, и снижению эффективности тепловизионной системы в целом.
Регулировку времени накопления при фиксированном времени кадра (режим “электронной заслонки”) обеспечивает схема мультиплексора ММ-В (ММ-А), в котором разделены операции считывания и перезарядки интегрирующих элементов, а накопление фотосигналов происходит в процессе опроса ячеек мультиплексора. В этом случае кадровая частота определяется только временем опроса всех ячеек считывания. Рассматриваемый мультиплексор может также работать и в режиме “snapshot”. Универсальные мультиплексоры ММ-В и ММ-А подробно описаны в работе [6].
Полученное значение емкости в совокупности с возможностью регулирования времени накопления обеспечивает ММКН (ММ-А, ММ-В, ММ-1, ММ-2, Карат) гибкость, достаточную для работы с фотодиодами на КРТ спектральных диапазонов 3–5 и 8–10 мкм, а также с фотоприемниками на основе многослойных структур с квантовыми ямами (МСКЯ).
Для реализации требуемых значений обнаружительной способности ИК фотоприемников на базе КРТ-фотодиодов, характеризующихся более высокими темновыми токами, и в условиях значительных фоновых токов, характерных для дальнего и сверхдальнего ИК спектральных диапазонов, необходимо использовать большие емкости накопления, которые могут быть получены с использованием альтернативного принципа внепикселного, или построчного накопления [13–18].
Принцип построения мультиплексора с построчным накоплением ММПН 320×256 поясняет функциональная схема, которая представлена на рис. 4. Мультиплексор состоит из матрицы коммутирующих ячеек, набора каналов считывания 1, вертикального и горизонтального регистров и выходной шины считывания. Каждый канал считывания 1 соединен с фотодиодом через ключ адресации Тi, j (i = 1, 2, ... 320, j = 1, 2, ... 256) и контактную площадку с индиевым микростолбом и содержит входную схему, переключаемую емкость накопления и ключ Si (i = 1, 2, ... 320).
Таким образом, в каждой ячейке матрицы находится ключ, который используется для коммутации фотодетектора со столбцовой шиной. Когда вертикальный регистр выбирает строку в матрице, ключевые транзисторы в ячейках, подсоединенных к данной строке, включают-
24 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Вертикальный регистр
In столб ФД
Ti, j
1 11
S1
S319
S320
Выход
Горизонтальный регистр
Рис. 4. Схема кремниевого мультиплексора MМПН 320×256. 1 – каналы 1 с ключами Si считывания выходного сигнала.
ся одновременно. С помощью входной схемы устанавливается напряжение смещения на фотодетекторе и считывается фототок. При этом фототок КРТ-диодов выбранной строки через столбцовые шины интегрируется на соответствующих емкостях накопления, которые периодически заряжаются до напряжения источника питания. Накопление фототоков во всех
каналах осуществляется одновременно, также одновременно происходит фиксация сигнального напряжения на емкости хранения, а считывание информации с емкостей хранения на общий выход выполняется последовательно. Емкость накопления может принимать значения от 1 до 16 пФ с дискретностью 1 пФ (рис. 5). Выходной сигнал мультиплексора, формируемый схемой ДКВ, пропорционален накопленному на емкости сигнальному заряду.
Особенностью рассматриваемых мультиплексоров является большая программируемая емкость накопления до 3×108 электронов, что обеспечивает работу ИК фотоприеников в спектральном диапазоне 8–16 мкм при разной фоноцелевой обстановке.
Сравнительный анализ температурного разрешения инфракрасных фотоприемников на основе КРТ-фотодиодов и мультиплексоров с кадровым и построчным накоплением показывает следующее [2]. В спектральном диапазоне 3–5 мкм ММКН обеспечивает по сравнению с ММПН почти двукратный выигрыш в температурном разрешении. При работе с низкоомными КРТ-фотодиодами спектрального диапазона 8–16 мкм несомненными преимуществами в плане улучшения температурного разрешения обладает ММПН. В случае слабоохлаждаемых КРТ-фотодиодов спектрального диапазона
ШСi
ЕП Vрег
Т4 Vсм
Т1 CH0
ЕП ЕП
Fсбр Sсб
Fвыб
Sсб2
ЕП
S1 S2
S3 S4
CH1 CH2 CH3 CH4
SB Cвыб
Т2 Si
Fсбр2 Fадр
Vсм2
ДКВ
Выход
Т3
Рис. 5. Принципиальная схема одного канала мультиплексора ММПН 320×256. CH0 – 1,0 пФ, CH1 – 1,0 пФ, CH2 – 2 пФ, CH3 – 4 пФ, CH4 – 8 пФ – емкости накопления; ДКВ – схема двойной коррелированной выборки.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
25
3–5 мкм тип используемого мультиплексора определяется значением параметра R0A. При R0 A < 1 Ом см2 выгоднее применять ММПН, а при R0A > 1 Ом см2 – ММКН.
В мультиплексорах ММПН 320×256, “Карат” 320×240, ММПН 128×128 и ЛМ 1×288 предусмотрена возможность вычитания постоянного уровня входного тока с помощью управляемых источников инверсного тока, размещенных в каждой ячейке считывания мультиплексора “Карат” или на столбцовых выходах матрицы ячеек считывания мультиплексоров типа ММПН. Организация мультиплексора “Карат” допускает вычитание постоянного уровня входного тока, являющегося общим для всей матрицы ячеек считывания. В случае мультиплексоров ММПН 128×128 и ММПН 320×256 обеспечивается вычитание постоянного уровня входного тока индивидуально для каждой строки фоточувствительных элементов матрицы. При этом следует иметь в виду, что за счет режима вычитания токов шум входных каскадов мультиплексоров увеличивается в 2 раз.
Монолитные фотоприемники
Линейчатые мультиплексоры
Линейчатый мультиплексор ЛМ 1×32 предназначен для создания монолитного фотоприемника на основе соединения свинец–олово–теллур и выполнен по схеме истокового повторителя на детектор. Схема истокового повторителя на детектор отличается от схемы прямой инжекции отсутствием входного транзистора, при этом ФЧЭ непосредственно подключается к емкости накопления. Такая схема пригодна для считывания фотосигналов ФЧЭ, которые допускают большие напряжения смещения. В остальном работа мультиплексора ЛМ 1×32 аналогична работе линейных ИС считывания для гибридных фотоприемников. Конструкция данного мультиплексора обеспечивает его работу при температуре до 4 K [19].
Матричные мультиплексоры
Исследовательский мультиплексор МКРТ 32 разработан для считывания фотосигналов с матричных фотоприемников, для измерения вольтамперных и шумовых характеристик ФЧЭ, при отработке конструкции фоточувствительных элементов и при разработке технологии изготовления монолитных ИК фотоприемников на
основе слоев HgCdTe или SiGe/Si, выращенных на кремниевых подложках.
При работе мультиплексора МКРТ 32 выбранный в произвольном порядке фотодиод из матрицы подключается к шине считывания и может быть детально исследован. Внешняя прецизионная малошумящая схема считывания задает смещение на фотодиодах, выполняет усреднение и преобразование фототока в сигнальное напряжение. Усреднение фотосигнала может осуществляться в течение времени адресации к выбранному фотодиоду [19].
Мультиплексор МКРТ 32 обеспечивает прямой доступ к элементам фотоприемной матрицы, высокую однородность смещения фотодиодов и возможность работы с большими темновыми и/или фоновыми токами. Схема удобна в эксплуатации, так как требует для работы только два источника постоянного напряжения и 10-разрядные цифровые коды, поэтому используется при создании автоматизированной установки на основе ПК для исследования характеристик монолитных КРТ-фотоприемников по полю матрицы и получения ИК изображений.
Мультиплексор для монолитного КРТ-фотоприемника форматом 160×128 разработан по схеме с построчным накоплением. Такая схема выбрана потому, что в монолитных фотоприемниках особенно остро встает вопрос повышения коэффициента заполнения ячейки, равного отношению площади ФЧЭ к площади матрицы. В ММПН ячейка считывания содержит только ключевой транзистор и обеспечивает максимальный коэффициент заполнения.
Экспериментальные данные
На базе разработанных в ИФП СО РАН кремниевых кристаллов мультиплексоров создан ряд линейчатых и матричных ИК фотоприемников. Характеристики некоторых из этих фотоприемников приведены в табл. 2. Из таблицы видно, что линейчатые фотоприемники размерностью 1×576 и 4×288 на основе мультиплексоров ЛМ 1×576 и МК-М-1, соответственно, обеспечивают создание полноформатных тепловизионных систем высокого разрешения. Матричные мультиплексоры МХ2, МХ4, МКРТ 32 с произвольным доступом и внешним накоплением сигнала позволяют работать с фотоприемниками длинноволнового диапазона (от 8 до 16 мкм) с большим фоновым током в системах, где не требуется высокая частота обновления кадров. Универсальные мультиплексоры ММ-А,
26 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Таблица 2. Типичные характеристики некоторых созданных гибридных ИК фотоприемников
Размерность ФПМ, шаг
Используемый
размещения элементов, мкм мультиплексор
1×128, 50
КТ-2К
4×288, 28 1×576, 30 32×32, 100 128×128, 50
MK-M-1 ЛМ 1×576 МХ2 MX4
Тип и материал фотоприемной матрицы n+–p фотодиоды на основе ЖФЭ CdHgTe n+–p фотодиоды на основе МЛЭ CdHgTe фоторезисторы на квантовых ямах GaAs/AlGaAs*** n+–p фотодиоды на основе МЛЭ CdHgTe
Длинноволновая граница фоточувствительности, мкм
8,7 10,2 10,3 10,2 10,6 8,3 13,1 4,3** 6,0 8,7 8,3 10,2 ~11 ~5
Эквивалентная шуму разность температур, мК
20 23 7 14 70 17 32 180 17 30 22 16 ~20 ~25
Время накопления, мкс
128 64 24 72 100* 100* 100* 256 256 60 5000
Частота кадров, Гц
50 50 50 25 10 2,5 2,5 50 50 50 50
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
MМ-В
128×128, 40 320×256, 35 320×256, 40
ММПН 128×128 ММПН 320×256 ММ-1 320×256
65 60 65 30 6000 30
Примечание.*** накопление осуществлялось внешним интегратором, *** слабоохлаждаемый модуль на термоэлектрическом элементе Пельтье (рабочая температура 215 K), *** рабочая температура 65 K.
ММ-В, ММ-1 обеспечивают работу средне- и длинноволновых фотоприемных матриц, выполненных на различных полупроводниковых материалах с рабочей температурой от 65 до 215 K. Мультиплексоры с построчным накоплением ММПН 128×128 и ММПН 320×256 обладают большой зарядовой емкостью и высоким динамическим диапазоном, что позволяет получать предельные параметры температурной чувствительности для матриц диапазона 8–16 мкм на основе фотодиодов КРТ.
Выводы
В работе показано, что в настоящее время происходит постоянное расширение типоразмерного ряда кремниевых мультиплексоров, стандартизация мультиплексоров и унификация их внутренней структуры, а также универсализация их применения.
Рассмотрены особенности архитектуры матричных мультиплексоров с кадровым накоплением в зависимости от выбора режимов накопления фотосигналов. Режим “мгновенного фотоснимка” обеспечивает одновременное для всех фоточувствительных элементов время накопления, однако приводит либо к неудобству в использовании из-за зависимости частоты кадров от времени накопления, либо к потере эффективности тепловизионной системы изза увеличения доли кадрового времени, когда фотосигналы не считываются. Режим “электронной заслонки” обеспечивает регулировку времени накопления при фиксированном времени кадра и эффективное использование кадрового времени, однако накопление сигналов фоточувствительных элементов происходит неодновременно.
Исследованы особенности конструкции матричных мультиплексоров с кадровым и построчным накоплением. Мультиплексоры с кадровым накоплением отличаются расположением умеренной (до 20×106 электронов) емкости накопления в каждой ячейке матрицы в фокальной плоскости. В мультиплексорах с построчным накоплением большие (до 300×106 электронов) программируемые емкости накопления расположены на периферии кристалла вне фокальной плоскости.
Приведены данные о том, что в спектральном диапазоне 3–5 мкм в плане улучшения температурного разрешения матричные мультиплексоры с кадровым накоплением обладают несомненными преимуществами перед матричными
27
мультиплексорами с построчным накоплением. В случае слабоохлаждаемых КРТ-фотодиодов ближнего ИК диапазона тип используемых мультиплексоров определяется параметрами фотодетекторов. В спектральном диапазоне 8–16 мкм особенно эффективны матричные мультиплексоры с построчным накоплением фотосигналов и линейные мультиплексоры с однорядным расположением фоточувствительных элементов и большой программируемой емкостью накопления. Область использования мультиплексоров с временной задержкой и накоплением фотосигналов ограничена средним и началом дальнего ИК диапазонов (из-за емкости накопления, не превышающей 25×106 электронов).
Заключение
В работе исследованы особенности проектирования и организации, а также современные тенденции развития и практического применения кремниевых мультиплексоров для линейчатых и матричных ИК фотоприемников. Представлен отечественный унифицированный промышленно ориентированный типоразмерный ряд линейчатых (1×32, 1×64, 2×2×480, 1×288, 4×288, 1×576) и матричных (32×32, 128×128, 160×128, 320×240, 320×256) кремниевых мультиплексоров для фотоприемников среднего и дальнего ИК диапазонов на основе соединений кадмий– ртуть–теллур, свинец–олово–теллур и многослойных структур с квантовыми ямами.
Созданные мультиплексоры использованы для гибридной микросборки ИК фотоприемников с предельными характеристиками. При этом получены ИК изображения разного формата с высоким (< 0,02 K) разрешением по температуре и кадровой частотой до 60 Гц.
Разработаны кремниевые мультиплексоры для монолитных фотоприемников на основе соединений кадмий–ртуть–теллур и свинец– олово–теллур.
Автор выражает благодарность академику А.Л. Асееву и доктору физ.-мат. наук В.Н. Овсюку за поддержку и полезные обсуждения результатов данной работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.И., Шашкин В.В. Кремниевые мультиплексоры для многоэлементных фотоприемников ИК диапазона // Автометрия. 2005. Т. 41. № 3. С. 88–99.
2. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.И. Кремниевые мультиплексоры 320×256 для инфракрасных фотоприемных устройств на основе КТР-диодов // Автометрия. 2007. Т. 43. № 4. С. 74–82.
3. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.И. Кремниевые мультиплексоры 1×576 для ИК фотодиодов на основе соединений кадмий–ртуть– теллур // Микроэлектроника. 2008. Т. 37. № 4. С. 278–286.
4. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Асеев А.Л. Серия кремниевых мультиплексоров для КТР-фотодиодов спектрального диапазона 8–16 мкм // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 3. С. 60–67.
5. Васильев В.В., Голенков А.Г., Дворецкий С.А., Есаев Д.Г., Захарьяш Т.И., Клименко А.Г., Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Рева В.П., Сидоров Ю.Г., Сизов Ф.Ф., Сусляков А.О., Талипов Н.Х. Фотоприемники на основе гетероэпитаксиальных слоев CdxHg1–xTe для среднего и дальнего ИК-диапазонов // Микроэлектроника. 2002. Т. 31. № 6. С. 414–422.
6. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Филиппова В.В. Унифицированные кремниевые мультиплексоры 128×128 для инфракрасных фотоприемных устройств // Автометрия. 2006. Т. 42. № 4. С. 109–118.
7. Vasilyev V.V., Klimenko A.G., Marchishin I. V., Ovsyuk V.N., Talipov N. Ch., Zaharyash Т.I., Golenkov A.G., Derkach Yu.P., Reva V.P., Sizov F.F., Zabudski V.V. MCT heteroepitaxial 4×288 FRA // Infrared Physics and Technology. 2004. V. 45. № 1. P. 13–21.
8. Hewitt M.J., Vampola J.L., Black S.H., Nielsen C.J. Infrared readout electronics: a historical perspective // Proc. SPIE. 1994. V. 2226. P. 108– 119.
9. Mottin E., Pantigny P., Boch R. An improved architecture of IR FRA radout circuits // Proc. SPIE. 1997. V. 3061. P. 119–128.
10. По данным фирмы “SOFRADIR” ( www.sofradir. com).
11. Frank J.D. Off-the-shelf readout ICs standardize detector interface // Optoelectronics World. 1998. № 3. P. 23–24.
12. Nixon R.H., Cemeny S.E., Pain B., Staller C.O., Fossum E.R. 256×256 Active Pixel Sensor Camtraon-a-Chip // IEEE J. of SSC. 1996. V. 31. № 12. P. 2046–2058.
13. Kanno T., Saga M., Karwahara A., Oikawa R., Ajisawa A., Tomioka Y., Oda N., Yamagata T., Murashima S., Shima T., Yasuda N. Development of MBE grown HgCdTe 64×64 FRA for long-wavelength IR detection // Proc. SPIE. Infrared Technology XIX. 1993. V. 2020. P. 41–48.
14. Hsieh C.C., Wu C.Y., Sun T.R. A new cryogenic CMOS readout structure for infrared focal plane
28 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
array // IEEE J. of SSC. 1997. T. 32. № 8. P. 1192– 1204.
15. Hsieh C.C., Wu C.Y., Sun T.P., Jih F.W., Cherng Y.T. High-performance CMOS buffered gate modulation input readout circuits for IR FPA // IEEE J. of SSC. 1998. T. 33. № 8. P. 1188–1200.
16. Акимов В.Н., Еремеева Л.Е., Лисейкин В.П., Щукин С.В., Патрашин А.И., Климанов Е.А., Тимофеев А.А., Гастев С.С. Разработка охлаждаемых МОП-мультиплексоров для считывания и обработки сигнала с фотодиодных КРТ-матриц // Оптический журнал. 1995.Т. 62. № 12. С. 63–70.
17. Бовина Л.А., Болтарь К.О., Бурлаков И.Д., Климанов Е.А., Патрашин А.И., Сагинов Л.Д., Стафеев В.И., Тимофеев А.А. Фокальные матрицы на
основе КРТ-фотодиодов для спектральных диапазонов 3–5 и 8–12 мкм // Оптический журнал. 1996. Т. 63. № 6. С. 74–77.
18. Стафеев В.И., Болтарь К.О., Бурлаков И.Д., Акимов В.М., Климанов Е.А., Сагинов А.Д., Соляков В.Н., Мансветов Н.Г., Пономаренко В.П., Тимофеев А.А., Филачев А.М. Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра на основе фотодиодов из CdxHg1–xTe // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. № 10. С. 1257–1265.
19. Французов А.А., Сапожникова Н.В., Феофанов Г.Н. Многоходовой электрометрический усилительмультиплексор, работоспособный при криогенных температурах // Микроэлектроника. 1996. Т. 25. № 4. С. 272–276.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
29
УДК 621.382: 621.383.5
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НЕКОТОРЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ КРЕМНИЕВЫХ МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ ДЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ
© 2010 г. А. И. Козлов, канд. техн. наук Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск E-mail: kozlov@thermo.isp.nsc.ru
Рассмотрены особенности проектирования и организации кремниевых мультиплексоров для линейчатых и матричных инфракрасных фотоприемников. На этой основе разработаны 19 кремниевых мультиплексоров, предназначенных для совместной работы с многоэлементными фотодиодными детекторами на основе соединения кадмий–ртуть–теллур, с многоэлементными фоторезистивными детекторами на основе многослойных структур с квантовыми ямами и другими типами фотодетекторов со спектральной чувствительностью в диапазонах 3–5 и 8–16 мкм. Мультиплексоры позволяют создавать на своей основе гибридные и монолитные фотоприемники различного формата для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов с достаточно высоким (< 0,02 K) разрешением по температуре.
Ключевые слова: кремниевый мультиплексор, многоэлементный инфракрасный фотоприемник, кремниевая схема считывания фототоков, режим с временной задержкой и накоплением, фотоприемник на основе многослойных структур с квантовыми ямами, фотодиод на основе соединения кадмий–ртуть–теллур.
Коды OCIS: 040.3060, 110.3080, 130.5990
Поступила в редакцию 27.07.2009
Введение
Современные тепловизионные системы строятся на базе многоэлементных приемников инфракрасного (ИК) излучения. Многоэлементные ИК фотоприемники состоят из двух основных частей: многоэлементной фоточувствительной структуры и кремниевой схемы считывания (мультиплексора). Мультиплексор – это интегральная схема (ИС) или, точнее, кремниевый кристалл, на котором выполнена схема считывания электрических сигналов, полученных в результате фотоэлектрического преобразования падающего ИК излучения в фоточувствительных элементах (ФЧЭ). В гибридном исполнении ИК фотоприемника фоточувствительный и кремниевый кристаллы соединяются друг с другом методом групповой холодной сварки с использованием индиевых микростолбов [1]. В монолитном исполнении фотоприемника ФЧЭ создаются методом эпитаксии слоев различных материалов в специально отведенных местах в ячейках мультиплексора на его кремниевой подложке.
В литературе имеется большое количество сообщений о кремниевых мультиплексорах [1–12]. Однако современные тенденции развития, ряд проблем проектирования и особенностей организации мультиплексоров, а также их практического применения освещены недостаточно полно и наглядно. В частности, считается, что для достижения предельных характеристик линейчатых ИК фотоприемников обязательно требуются мультиплексоры с временной задержкой и накоплением (ВЗН) фотосигналов. Это не всегда справедливо. Например, незаслуженно не используются матричные мультиплексоры с построчным накоплением, которые наиболее эффективны в некоторых областях ИК спектрального диапазона и при определенных параметрах фотодетекторов. Кроме того, в литературе практически полностью отсутствуют сведения о мультиплексорах для монолитных фотоприемников на основе соединений кадмий–ртуть– теллур (КРТ) и свинец–олово–теллур (СОТ).
В данной работе предпринята попытка объединить достижения последних лет в области
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
19
реализации схем считывания и рассмотреть актуальные вопросы современных тенденций развития, особенностей проектирования, концептуального построения и практического применения кремниевых мультиплексоров для ИК фотоприемников.
В работе представлен унифицированный типоразмерный ряд из 19 мультиплексоров (табл. 1), созданных в Институте физики полупроводников СО РАН (ИФП СО РАН) в кооперации с рядом других предприятий (ОАО “Ангстрем”, СП ООО “Интеко”, НПОО “Микротелеком”, ЗАО “Матричные технологии” и ФГУП “НПП “Восток”) [1–7].
Современные тенденции развития мультиплексоров
Ведущими фирмами (например, “SOFRADIR”) разработаны и в настоящее время серийно производятся типоразмерные ряды линейчатых (288×4 {LW}, 480×6 {LW}) и матричных (320×256 {SW, MW, LW}, 384×288 {LW}, 500×256 {SW}, 640×512 {MW, LW}, 1000×256 {SW}, 1280×1024 {MW}) фотоприемников дальнего (LW), среднего (MW) и ближнего (SW) ИК спектральных диапазонов [10].
В составе фотоприемника линейчатый или матричный мультиплексор обеспечивает требуемые электрические режимы работы ФЧЭ, осуществляет считывание фототоков ФЧЭ, позволяет исключить механическую развертку изображения по одной или по двум координатам и, в конечном итоге, в значительной степени определяет качество получаемого тепловизионного изображения в целом.
Представленные на мировом рынке типоразмерные ряды кремниевых мультиплексоров постоянно пополняются новыми моделями. Разные модели кремниевых ИС считывания отличаются форматом, входными схемами, зарядовой емкостью и шагом ячеек. Следует отметить, что максимальный формат матриц обычно понижается с увеличением рабочей длины волны ИК фотоприемника. Причина – большой размер ячейки, определяемый длиной волны излучения. Кремниевые мультиплексоры обычно работают при температурах 65–300 K, что обеспечивает их применение при изготовлении как охлаждаемых (65–80 K), так и слабоохлаждаемых (200–210 K) фотоприемников. Авторами статьи разработаны мультиплексоры, функционирующие и при более низких температурах (до 4 K).
В настоящее время идет процесс стандартизации кремниевых мультиплексоров [11]. Так, имеет место унификация внутренней структуры мультиплексора и его основных элементов (входных схем считывания и предварительной обработки, зарядочувствительных, столбцовых и выходных усилителей). В этом случае построение кремниевой ИС осуществляется из базовых элементов с использованием типовых норм КМОП-технологии. С другой стороны, кремниевые мультиплексоры становятся более универсальными и предназначены для считывания фотосигналов с целого ряда фотодетекторов: с ФЧЭ на основе HgCdTe, QWIP (AlGa/GaAlAs), SiGe/Si и InGaAs.
Cтремительное уменьшение топологических норм КМОП-технологии и развитие системного проектирования обеспечило качественно новую парадигму в разработке кремниевых ИС, кратко выражаемую следующей формулой – “система на кристалле”. Это позволяет поставить вопрос о создании цифрового интеллектуального мультиплексора для ИК ФПУ, а в перспективе и интеллектуального тепловизора в одно- или двухкристальном исполнении.
Гибридные фотоприемники
Линейчатые мультиплексоры
Наиболее простым из линейчатых ИС считывания является линейный мультиплексор (ЛМ) с однорядным расположением ФЧЭ (в таблице – ЛМ 1×576, ЛМ 1×288, ЛМ 1×32 и КТ-2К) [3]. Главные особенности однорядного мультиплексора заключаются, во-первых, в возможности размещения в каждой ячейке большой программируемой емкости накопления с максимальным общим значением до 3×108 электронов и более, во-вторых, в возможности построения входного узла по схеме буферированной прямой инжекции, обеспечивающей высокую (не более ± 6 мВ) однородность смещения фотодетекторов, что позволяет успешно использовать схему для работы с КРТ-фотодиодами не только среднего, но и дальнего, и сверхдальнего ИК спектральных диапазонов, в условиях больших (до 300 нА и более) темновых и/или фоновых токов и жестких требований к однородности напряжений смещения [3, 4].
Мультиплексор ЛМ 1×576 состоит из 576 каналов считывания фотосигнала 2, четырех сдвиговых регистров и четырех выходных шин считывания (рис. 1). Каждый канал считыва-
20 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Таблица 1. Разработанные кремниевые мультиплексоры для ИК фотоприемников
Наименование
Формат
Особенности схемы
Шаг, мкм
Емкость накопления, 106 эл.
Тактовая Макс. входной Выходное
частота, МГц
ток, нА
напряжение, В
линейчатые мультиплексоры для гибридных фотоприемников
КТ-2К ЛМ 1×288
1×64 1×288
БПИ ПИ
100 156 28 18–300
> 1 > 300 > 5 > 300
2,2 2,0
ЛМ 4×288
4×288 ВЗН по 4 элт.
28×43
12,5
< 2 15
3,0
Динамический диапазон, дБ
78 79 70
МК-М-1 ЛМ-1 1×576 ЛМ-2 1×576
МХ2 МХ4 ММ-В ММ-А ММПН 128 ММ-1 320 ММ-2* 320
4×288 1×576 1×576
32×32 128×128 128×128 128×128 128×128 320×256 320×256
ВЗН по 4 элт.
28×43
25
< 2 30
3,0
70
ПИ
30
18–260
> 3,5
> 300
3,0
79
БПИ
30
18–260
> 3,5
> 300
3,0
79
матричные мультиплексоры для гибридных фотоприемников
ПД 100 исследовательский мультиплексор с внекристальным накоплением
ПД 50 исследовательский мультиплексор с внекристальным накоплением
ПИ
50 28
> 1 150
0,3
78
ПИ
50 37,5
> 1 > 150
0,5
79
ПИ, ПН, ВПУ
40
18–300
> 1 > 300
2,1
78
ПИ
40 18
> 2 > 40 > 0,8
76
ПИ
30 15
> 2 35
1,0
76
ММПН 320 Карат 320
ЛМ 1×32 ЛM* 2×2×480
МКРТ32 ММПН* 160
320×256 320×240
1×32 2×2×480
32×32 160×128
ПИ, ПН, ВПУ
35
18–300
> 2 > 300
2,1
78
ПИ, ВПУ
35 12,5
> 4 30
3,0
70
линейчатые мультиплексоры для монолитных фотоприемников
ИПД
200 320
> 1 500
1,0
79
для болометров
51
—
0,001
—
—
—
матричные мультиплексоры для монолитных фотоприемников
ПД 150 исследовательский мультиплексор с внекристальным накоплением
ПИ, ПН, ВПУ
75
18–300
> 4 > 300
2,0
78
Примечание. * – модель находится в разработке, БПИ – буферированная прямая инжекция, ПИ – прямая инжекция, ВЗН – временная задержка и накопление, ПД – прямой доступ к фотоприемнику, ПН – построчное накопление фотосигнала, ВПУ – вычитание постоянного уровня, ИПД – истоковый повторитель на детектор.
21
ния мультиплексора непосредственно соединен с фотодиодом через контактную площадку 1 с индиевым микростолбом и содержит входную схему, переключаемую емкость накопления, активный транзистор истокового повторителя и ключ Si (i = 1, 2, … 576). С помощью входной схемы устанавливается напряжение смещения на фотодетекторе (ФД) и считывается фототок. Фототок интегрируется на емкости накопления, которая периодически заряжается до напряжения источника питания. Заряд, образуемый интегрированием входного тока за время накопления, для мультиплексора является сигнальным зарядом. Уровни заряда и разряда каждой емкости передаются на выход с помощью активного транзистора истокового повторителя и ключа. Разность этих уровней фиксируется схемой двойной коррелированной выборки (ДКВ) один раз за период опроса всех каналов считывания. Схема ДКВ также позволяет подавить 1/f-шум выходного транзистора, шумы и “наводки” по цепям питания и выходного сигнала.
Входной узел канала считывания мультиплексора ЛМ-2 1×576 выполнен по схеме буфе-
рированной прямой инжекции (рис. 2). Операционный усилитель в данной схеме, помимо функции формирования постоянного, термостабильного смещения (с однородностью ± 6 мВ), обеспечивает низкое входное сопротивление схемы считывания, что важно при работе с низкоомными фотодатчиками дальнего ИК спектрального диапазона. Минимальное сопротивление детектора, которое обеспечивает режим считывания мультиплексора с шумами, ограниченными флуктуациями фонового потока ИК излучения, составляет около 200 кОм при времени накопления tнак = 40 мкс. При больших временах накопления сопротивление датчика должно быть еще большим.
Рассмотренная выше схема линейного мультиплексора при изготовлении может обеспечить высокий процент выхода годных кристаллов и пониженное энергопотребление, и во многих случаях использование линейных мультиплексоров может оказаться экономически целесообразным.
В случае, когда требуется достижение предельных характеристик ИК фотоприемников,
Выход 2
Сдвиговый регистр
Сдвиговый регистр
Выход 4
S2 S4 22
S288 2
S290 2
S574 2
S576 2
1 Выход 1
2 60
4
13
22 S1 S3
288 290
30 1
574 576
250
287 289
22
S287
S289
573 575
2 S573
2
S575 Выход 3
Сдвиговый регистр
Сдвиговый регистр
Рис. 1. Функциональная схема кремниевого мультиплексора ЛМ 1×576 (общая для ЛМ-1 и ЛМ-2). 1 – вход-
ные контактные площадки с индиевыми микростолбами (1 – 576), 2 – каналы с ключами Si считывания выходного сигнала S1 – S576.
22 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Vсм In столб
ФД
ЕП ОУ
Т2 Т1
CH1
S1 S2 CH2 CH3
ЕП
Т3 Si
i + 1/2 i
Регистр сдвига
Ф2 Ф1 Ф3
Vсм2
ДКВ
Выход
Т4
Рис. 2. Схема одного канала мультиплексора ЛМ-2 1×576. Входной узел выполнен по схеме буферированной прямой инжекции. ФД – фотодетектор, ОУ – операционный усилитель, ДКВ – схема двойной коррелированной выборки.
используется режим с временной задержкой и накоплением (ВЗН). Линейчатые мультиплексоры МК-М-1 и ЛМ 4×288 выполнены по схеме с ВЗН фототоков КРТ-диодов спектральных диапазонов 8–10 и 3–5 мкм [7]. При сканировании изображения тактовая частота работы линейчатого мультиплексора с ВЗН выбирается так, чтобы задержка между отдельными входами была равна времени перемещения изображения от одной линии детекторов к другой. В процессе ВЗН для группы из 4 детекторов осуществляется четырехкратное когерентное суммирование сигнального фототока. Шумы при этом складываются некогерентно, за счет чего в режиме ВЗН обеспечивается выигрыш в отношении сигнал/шум, равный 4 = 2 [7].
За счет ВЗН обеспечивается увеличение эффективного времени накопления фотосигналов и повышение надежности из-за возможности дублирования дефектных ФЧЭ, с соответствующим достижением более высокого уровня технических характеристик тепловизионных систем. Однако создание и использование таких мультиплексоров связано с определенными трудностями получения приемлемого процента выхода годных кристаллов, сложностью в управлении и их практическом применении [7]. Емкости накопления линейчатых мультиплексоров с ВЗН ограничены величиной примерно 2,5×107 электронов, поэтому область использования
таких схем ограничивается средним и началом дальнего ИК спектрального диапазона. Кроме того, требуется обеспечение высокого уровня технологии изготовления многоэлементной фоточувствительной структуры для минимизации темновых токов фотодетекторов.
Матричные мультиплексоры
Для КРТ-фотодиодов с низкими темновыми токами и высокими дифференциальными сопротивлениями можно использовать обычные современные матричные мультиплексоры с кадровым накоплением (ММКН) и умеренными емкостями, расположенными в каждой ячейке матрицы.
Принцип организации одного из ММКН поясняет функциональная схема, которая представлена на рис. 3. Мультиплексор ММ-1 состоит из следующих основных частей: матрица из 320×256 ячеек считывания, горизонтальный и вертикальный регистры, 320 каналов считывания, выходной усилитель.
В каждой ячейке с помощью входного транзистора на фотодиоде устанавливается напряжение смещения Vсм и считывается фототок. Фототок интегрируется на емкости накопления Сi, j. Накопленный заряд при открытом ключе адресации считывается истоковым повторителем Ai, j. Последующая зарядка емкости Сi, j
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
23
осуществляется с помощью транзистора сброса Sсбр. Емкость формируется между встроенным n+ каналом и поликремниевым электродом первого уровня, что позволило получить при размере ячейки 40×40 мкм емкость накопления 1,8×107 электронов.
При считывании фотосигнала каждая ячейка опрашивается два раза. Первый раз – фиксируется уровень накопленного сигнального заряда, второй раз – уровень сброса емкости накопления. Уровень сброса и уровень сигнала считываются отдельно, что позволяет схеме ДКВ подавить 1/f шум и геометрический шум ячеек считывания [12]. Полученные сигналы мультиплексируются на выход с помощью горизонтального регистра.
Время накопления в этом мультиплексоре определяется длительностью импульса напряжения смещения Vсм, подаваемого на входные транзисторы в интервале времени между считыванием кадров ИК изображения. Время кадра равно сумме времени накопления и времени опроса кадра изображения. Этот режим работы называют режим “мгновенного фотоснимка” (“snapshot”).
Недостаток режима “snapshot” проявляется либо в зависимости частоты кадров от времени накопления, либо в необходимости выделять между кадрами паузу под импульс Vсм, длительность которой равна максимально необходимому времени накопления, что приводит к увели-
Вертикальный регистр
Vсм In столб
Е Sсбр
Ai, j
ФД Сi, j
1 11
S1
S319
S320
A0 Выход
Горизонтальный регистр
Рис. 3. Схема кремниевого мультиплексора MМ-1 320×256. 1 – каналы считывания, Si – ключи считывания выходного сигнала i-го
канала (1 – 320).
чению доли кадрового времени, когда фотосигналы не считываются, и снижению эффективности тепловизионной системы в целом.
Регулировку времени накопления при фиксированном времени кадра (режим “электронной заслонки”) обеспечивает схема мультиплексора ММ-В (ММ-А), в котором разделены операции считывания и перезарядки интегрирующих элементов, а накопление фотосигналов происходит в процессе опроса ячеек мультиплексора. В этом случае кадровая частота определяется только временем опроса всех ячеек считывания. Рассматриваемый мультиплексор может также работать и в режиме “snapshot”. Универсальные мультиплексоры ММ-В и ММ-А подробно описаны в работе [6].
Полученное значение емкости в совокупности с возможностью регулирования времени накопления обеспечивает ММКН (ММ-А, ММ-В, ММ-1, ММ-2, Карат) гибкость, достаточную для работы с фотодиодами на КРТ спектральных диапазонов 3–5 и 8–10 мкм, а также с фотоприемниками на основе многослойных структур с квантовыми ямами (МСКЯ).
Для реализации требуемых значений обнаружительной способности ИК фотоприемников на базе КРТ-фотодиодов, характеризующихся более высокими темновыми токами, и в условиях значительных фоновых токов, характерных для дальнего и сверхдальнего ИК спектральных диапазонов, необходимо использовать большие емкости накопления, которые могут быть получены с использованием альтернативного принципа внепикселного, или построчного накопления [13–18].
Принцип построения мультиплексора с построчным накоплением ММПН 320×256 поясняет функциональная схема, которая представлена на рис. 4. Мультиплексор состоит из матрицы коммутирующих ячеек, набора каналов считывания 1, вертикального и горизонтального регистров и выходной шины считывания. Каждый канал считывания 1 соединен с фотодиодом через ключ адресации Тi, j (i = 1, 2, ... 320, j = 1, 2, ... 256) и контактную площадку с индиевым микростолбом и содержит входную схему, переключаемую емкость накопления и ключ Si (i = 1, 2, ... 320).
Таким образом, в каждой ячейке матрицы находится ключ, который используется для коммутации фотодетектора со столбцовой шиной. Когда вертикальный регистр выбирает строку в матрице, ключевые транзисторы в ячейках, подсоединенных к данной строке, включают-
24 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Вертикальный регистр
In столб ФД
Ti, j
1 11
S1
S319
S320
Выход
Горизонтальный регистр
Рис. 4. Схема кремниевого мультиплексора MМПН 320×256. 1 – каналы 1 с ключами Si считывания выходного сигнала.
ся одновременно. С помощью входной схемы устанавливается напряжение смещения на фотодетекторе и считывается фототок. При этом фототок КРТ-диодов выбранной строки через столбцовые шины интегрируется на соответствующих емкостях накопления, которые периодически заряжаются до напряжения источника питания. Накопление фототоков во всех
каналах осуществляется одновременно, также одновременно происходит фиксация сигнального напряжения на емкости хранения, а считывание информации с емкостей хранения на общий выход выполняется последовательно. Емкость накопления может принимать значения от 1 до 16 пФ с дискретностью 1 пФ (рис. 5). Выходной сигнал мультиплексора, формируемый схемой ДКВ, пропорционален накопленному на емкости сигнальному заряду.
Особенностью рассматриваемых мультиплексоров является большая программируемая емкость накопления до 3×108 электронов, что обеспечивает работу ИК фотоприеников в спектральном диапазоне 8–16 мкм при разной фоноцелевой обстановке.
Сравнительный анализ температурного разрешения инфракрасных фотоприемников на основе КРТ-фотодиодов и мультиплексоров с кадровым и построчным накоплением показывает следующее [2]. В спектральном диапазоне 3–5 мкм ММКН обеспечивает по сравнению с ММПН почти двукратный выигрыш в температурном разрешении. При работе с низкоомными КРТ-фотодиодами спектрального диапазона 8–16 мкм несомненными преимуществами в плане улучшения температурного разрешения обладает ММПН. В случае слабоохлаждаемых КРТ-фотодиодов спектрального диапазона
ШСi
ЕП Vрег
Т4 Vсм
Т1 CH0
ЕП ЕП
Fсбр Sсб
Fвыб
Sсб2
ЕП
S1 S2
S3 S4
CH1 CH2 CH3 CH4
SB Cвыб
Т2 Si
Fсбр2 Fадр
Vсм2
ДКВ
Выход
Т3
Рис. 5. Принципиальная схема одного канала мультиплексора ММПН 320×256. CH0 – 1,0 пФ, CH1 – 1,0 пФ, CH2 – 2 пФ, CH3 – 4 пФ, CH4 – 8 пФ – емкости накопления; ДКВ – схема двойной коррелированной выборки.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
25
3–5 мкм тип используемого мультиплексора определяется значением параметра R0A. При R0 A < 1 Ом см2 выгоднее применять ММПН, а при R0A > 1 Ом см2 – ММКН.
В мультиплексорах ММПН 320×256, “Карат” 320×240, ММПН 128×128 и ЛМ 1×288 предусмотрена возможность вычитания постоянного уровня входного тока с помощью управляемых источников инверсного тока, размещенных в каждой ячейке считывания мультиплексора “Карат” или на столбцовых выходах матрицы ячеек считывания мультиплексоров типа ММПН. Организация мультиплексора “Карат” допускает вычитание постоянного уровня входного тока, являющегося общим для всей матрицы ячеек считывания. В случае мультиплексоров ММПН 128×128 и ММПН 320×256 обеспечивается вычитание постоянного уровня входного тока индивидуально для каждой строки фоточувствительных элементов матрицы. При этом следует иметь в виду, что за счет режима вычитания токов шум входных каскадов мультиплексоров увеличивается в 2 раз.
Монолитные фотоприемники
Линейчатые мультиплексоры
Линейчатый мультиплексор ЛМ 1×32 предназначен для создания монолитного фотоприемника на основе соединения свинец–олово–теллур и выполнен по схеме истокового повторителя на детектор. Схема истокового повторителя на детектор отличается от схемы прямой инжекции отсутствием входного транзистора, при этом ФЧЭ непосредственно подключается к емкости накопления. Такая схема пригодна для считывания фотосигналов ФЧЭ, которые допускают большие напряжения смещения. В остальном работа мультиплексора ЛМ 1×32 аналогична работе линейных ИС считывания для гибридных фотоприемников. Конструкция данного мультиплексора обеспечивает его работу при температуре до 4 K [19].
Матричные мультиплексоры
Исследовательский мультиплексор МКРТ 32 разработан для считывания фотосигналов с матричных фотоприемников, для измерения вольтамперных и шумовых характеристик ФЧЭ, при отработке конструкции фоточувствительных элементов и при разработке технологии изготовления монолитных ИК фотоприемников на
основе слоев HgCdTe или SiGe/Si, выращенных на кремниевых подложках.
При работе мультиплексора МКРТ 32 выбранный в произвольном порядке фотодиод из матрицы подключается к шине считывания и может быть детально исследован. Внешняя прецизионная малошумящая схема считывания задает смещение на фотодиодах, выполняет усреднение и преобразование фототока в сигнальное напряжение. Усреднение фотосигнала может осуществляться в течение времени адресации к выбранному фотодиоду [19].
Мультиплексор МКРТ 32 обеспечивает прямой доступ к элементам фотоприемной матрицы, высокую однородность смещения фотодиодов и возможность работы с большими темновыми и/или фоновыми токами. Схема удобна в эксплуатации, так как требует для работы только два источника постоянного напряжения и 10-разрядные цифровые коды, поэтому используется при создании автоматизированной установки на основе ПК для исследования характеристик монолитных КРТ-фотоприемников по полю матрицы и получения ИК изображений.
Мультиплексор для монолитного КРТ-фотоприемника форматом 160×128 разработан по схеме с построчным накоплением. Такая схема выбрана потому, что в монолитных фотоприемниках особенно остро встает вопрос повышения коэффициента заполнения ячейки, равного отношению площади ФЧЭ к площади матрицы. В ММПН ячейка считывания содержит только ключевой транзистор и обеспечивает максимальный коэффициент заполнения.
Экспериментальные данные
На базе разработанных в ИФП СО РАН кремниевых кристаллов мультиплексоров создан ряд линейчатых и матричных ИК фотоприемников. Характеристики некоторых из этих фотоприемников приведены в табл. 2. Из таблицы видно, что линейчатые фотоприемники размерностью 1×576 и 4×288 на основе мультиплексоров ЛМ 1×576 и МК-М-1, соответственно, обеспечивают создание полноформатных тепловизионных систем высокого разрешения. Матричные мультиплексоры МХ2, МХ4, МКРТ 32 с произвольным доступом и внешним накоплением сигнала позволяют работать с фотоприемниками длинноволнового диапазона (от 8 до 16 мкм) с большим фоновым током в системах, где не требуется высокая частота обновления кадров. Универсальные мультиплексоры ММ-А,
26 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
Таблица 2. Типичные характеристики некоторых созданных гибридных ИК фотоприемников
Размерность ФПМ, шаг
Используемый
размещения элементов, мкм мультиплексор
1×128, 50
КТ-2К
4×288, 28 1×576, 30 32×32, 100 128×128, 50
MK-M-1 ЛМ 1×576 МХ2 MX4
Тип и материал фотоприемной матрицы n+–p фотодиоды на основе ЖФЭ CdHgTe n+–p фотодиоды на основе МЛЭ CdHgTe фоторезисторы на квантовых ямах GaAs/AlGaAs*** n+–p фотодиоды на основе МЛЭ CdHgTe
Длинноволновая граница фоточувствительности, мкм
8,7 10,2 10,3 10,2 10,6 8,3 13,1 4,3** 6,0 8,7 8,3 10,2 ~11 ~5
Эквивалентная шуму разность температур, мК
20 23 7 14 70 17 32 180 17 30 22 16 ~20 ~25
Время накопления, мкс
128 64 24 72 100* 100* 100* 256 256 60 5000
Частота кадров, Гц
50 50 50 25 10 2,5 2,5 50 50 50 50
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
MМ-В
128×128, 40 320×256, 35 320×256, 40
ММПН 128×128 ММПН 320×256 ММ-1 320×256
65 60 65 30 6000 30
Примечание.*** накопление осуществлялось внешним интегратором, *** слабоохлаждаемый модуль на термоэлектрическом элементе Пельтье (рабочая температура 215 K), *** рабочая температура 65 K.
ММ-В, ММ-1 обеспечивают работу средне- и длинноволновых фотоприемных матриц, выполненных на различных полупроводниковых материалах с рабочей температурой от 65 до 215 K. Мультиплексоры с построчным накоплением ММПН 128×128 и ММПН 320×256 обладают большой зарядовой емкостью и высоким динамическим диапазоном, что позволяет получать предельные параметры температурной чувствительности для матриц диапазона 8–16 мкм на основе фотодиодов КРТ.
Выводы
В работе показано, что в настоящее время происходит постоянное расширение типоразмерного ряда кремниевых мультиплексоров, стандартизация мультиплексоров и унификация их внутренней структуры, а также универсализация их применения.
Рассмотрены особенности архитектуры матричных мультиплексоров с кадровым накоплением в зависимости от выбора режимов накопления фотосигналов. Режим “мгновенного фотоснимка” обеспечивает одновременное для всех фоточувствительных элементов время накопления, однако приводит либо к неудобству в использовании из-за зависимости частоты кадров от времени накопления, либо к потере эффективности тепловизионной системы изза увеличения доли кадрового времени, когда фотосигналы не считываются. Режим “электронной заслонки” обеспечивает регулировку времени накопления при фиксированном времени кадра и эффективное использование кадрового времени, однако накопление сигналов фоточувствительных элементов происходит неодновременно.
Исследованы особенности конструкции матричных мультиплексоров с кадровым и построчным накоплением. Мультиплексоры с кадровым накоплением отличаются расположением умеренной (до 20×106 электронов) емкости накопления в каждой ячейке матрицы в фокальной плоскости. В мультиплексорах с построчным накоплением большие (до 300×106 электронов) программируемые емкости накопления расположены на периферии кристалла вне фокальной плоскости.
Приведены данные о том, что в спектральном диапазоне 3–5 мкм в плане улучшения температурного разрешения матричные мультиплексоры с кадровым накоплением обладают несомненными преимуществами перед матричными
27
мультиплексорами с построчным накоплением. В случае слабоохлаждаемых КРТ-фотодиодов ближнего ИК диапазона тип используемых мультиплексоров определяется параметрами фотодетекторов. В спектральном диапазоне 8–16 мкм особенно эффективны матричные мультиплексоры с построчным накоплением фотосигналов и линейные мультиплексоры с однорядным расположением фоточувствительных элементов и большой программируемой емкостью накопления. Область использования мультиплексоров с временной задержкой и накоплением фотосигналов ограничена средним и началом дальнего ИК диапазонов (из-за емкости накопления, не превышающей 25×106 электронов).
Заключение
В работе исследованы особенности проектирования и организации, а также современные тенденции развития и практического применения кремниевых мультиплексоров для линейчатых и матричных ИК фотоприемников. Представлен отечественный унифицированный промышленно ориентированный типоразмерный ряд линейчатых (1×32, 1×64, 2×2×480, 1×288, 4×288, 1×576) и матричных (32×32, 128×128, 160×128, 320×240, 320×256) кремниевых мультиплексоров для фотоприемников среднего и дальнего ИК диапазонов на основе соединений кадмий– ртуть–теллур, свинец–олово–теллур и многослойных структур с квантовыми ямами.
Созданные мультиплексоры использованы для гибридной микросборки ИК фотоприемников с предельными характеристиками. При этом получены ИК изображения разного формата с высоким (< 0,02 K) разрешением по температуре и кадровой частотой до 60 Гц.
Разработаны кремниевые мультиплексоры для монолитных фотоприемников на основе соединений кадмий–ртуть–теллур и свинец– олово–теллур.
Автор выражает благодарность академику А.Л. Асееву и доктору физ.-мат. наук В.Н. Овсюку за поддержку и полезные обсуждения результатов данной работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.И., Шашкин В.В. Кремниевые мультиплексоры для многоэлементных фотоприемников ИК диапазона // Автометрия. 2005. Т. 41. № 3. С. 88–99.
2. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.И. Кремниевые мультиплексоры 320×256 для инфракрасных фотоприемных устройств на основе КТР-диодов // Автометрия. 2007. Т. 43. № 4. С. 74–82.
3. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.И. Кремниевые мультиплексоры 1×576 для ИК фотодиодов на основе соединений кадмий–ртуть– теллур // Микроэлектроника. 2008. Т. 37. № 4. С. 278–286.
4. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Асеев А.Л. Серия кремниевых мультиплексоров для КТР-фотодиодов спектрального диапазона 8–16 мкм // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 3. С. 60–67.
5. Васильев В.В., Голенков А.Г., Дворецкий С.А., Есаев Д.Г., Захарьяш Т.И., Клименко А.Г., Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Рева В.П., Сидоров Ю.Г., Сизов Ф.Ф., Сусляков А.О., Талипов Н.Х. Фотоприемники на основе гетероэпитаксиальных слоев CdxHg1–xTe для среднего и дальнего ИК-диапазонов // Микроэлектроника. 2002. Т. 31. № 6. С. 414–422.
6. Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Филиппова В.В. Унифицированные кремниевые мультиплексоры 128×128 для инфракрасных фотоприемных устройств // Автометрия. 2006. Т. 42. № 4. С. 109–118.
7. Vasilyev V.V., Klimenko A.G., Marchishin I. V., Ovsyuk V.N., Talipov N. Ch., Zaharyash Т.I., Golenkov A.G., Derkach Yu.P., Reva V.P., Sizov F.F., Zabudski V.V. MCT heteroepitaxial 4×288 FRA // Infrared Physics and Technology. 2004. V. 45. № 1. P. 13–21.
8. Hewitt M.J., Vampola J.L., Black S.H., Nielsen C.J. Infrared readout electronics: a historical perspective // Proc. SPIE. 1994. V. 2226. P. 108– 119.
9. Mottin E., Pantigny P., Boch R. An improved architecture of IR FRA radout circuits // Proc. SPIE. 1997. V. 3061. P. 119–128.
10. По данным фирмы “SOFRADIR” ( www.sofradir. com).
11. Frank J.D. Off-the-shelf readout ICs standardize detector interface // Optoelectronics World. 1998. № 3. P. 23–24.
12. Nixon R.H., Cemeny S.E., Pain B., Staller C.O., Fossum E.R. 256×256 Active Pixel Sensor Camtraon-a-Chip // IEEE J. of SSC. 1996. V. 31. № 12. P. 2046–2058.
13. Kanno T., Saga M., Karwahara A., Oikawa R., Ajisawa A., Tomioka Y., Oda N., Yamagata T., Murashima S., Shima T., Yasuda N. Development of MBE grown HgCdTe 64×64 FRA for long-wavelength IR detection // Proc. SPIE. Infrared Technology XIX. 1993. V. 2020. P. 41–48.
14. Hsieh C.C., Wu C.Y., Sun T.R. A new cryogenic CMOS readout structure for infrared focal plane
28 “Оптический журнал”, 77, 7, 2010
array // IEEE J. of SSC. 1997. T. 32. № 8. P. 1192– 1204.
15. Hsieh C.C., Wu C.Y., Sun T.P., Jih F.W., Cherng Y.T. High-performance CMOS buffered gate modulation input readout circuits for IR FPA // IEEE J. of SSC. 1998. T. 33. № 8. P. 1188–1200.
16. Акимов В.Н., Еремеева Л.Е., Лисейкин В.П., Щукин С.В., Патрашин А.И., Климанов Е.А., Тимофеев А.А., Гастев С.С. Разработка охлаждаемых МОП-мультиплексоров для считывания и обработки сигнала с фотодиодных КРТ-матриц // Оптический журнал. 1995.Т. 62. № 12. С. 63–70.
17. Бовина Л.А., Болтарь К.О., Бурлаков И.Д., Климанов Е.А., Патрашин А.И., Сагинов Л.Д., Стафеев В.И., Тимофеев А.А. Фокальные матрицы на
основе КРТ-фотодиодов для спектральных диапазонов 3–5 и 8–12 мкм // Оптический журнал. 1996. Т. 63. № 6. С. 74–77.
18. Стафеев В.И., Болтарь К.О., Бурлаков И.Д., Акимов В.М., Климанов Е.А., Сагинов А.Д., Соляков В.Н., Мансветов Н.Г., Пономаренко В.П., Тимофеев А.А., Филачев А.М. Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра на основе фотодиодов из CdxHg1–xTe // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. № 10. С. 1257–1265.
19. Французов А.А., Сапожникова Н.В., Феофанов Г.Н. Многоходовой электрометрический усилительмультиплексор, работоспособный при криогенных температурах // Микроэлектроника. 1996. Т. 25. № 4. С. 272–276.
“Оптический журнал”, 77, 7, 2010
29