CC BY
19УДК 621.384.4
КМОП-матрица формата 320x240 элементов для спектрального диапазона 3-5 мкм на основе PtSi
1 1 2 1 А.М. Белин , В.И. Золотарев , А.Ю. Никифоров , А.Д. Попов
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 2ОАО «Швабе-Фотосистемы» (г. Москва)
CMOS Array of 320x240 Elements for Spectral Range of 3-5 цт Based on PtSi Photodiodes
A.M. Belin1, V.I. Zolotarev1, A. Yu. Nikiforov2, A.D. Popov1
1National Research University of Electronic Technology, Moscow OAO «Shvabe-Fotosistemy», Moscow
Приведены результаты разработки и исследований матричного фотоприемного устройства формата 320*240 элементов на основе фотодиодов из силицида платины для спектрального диапазона 3-5 мкм. Разработка выполнена целиком по КМОП-технологии. Показано, что матричное фотоприемное устройство имеет возможность регулировки времени накопления фотосигнала при фиксированной кадровой частоте и позволяет вычитать постоянную составляющую фона в выходном устройстве.
Ключевые слова: матричное фотоприемное устройство; силицид платины; температурное разрешение.
The results of the development and studies on the focal plane array (FPA) of the format 320x240 on the PtSi basis have been presented. The development has been executed based on the CMOS technology. The spectral range is 3 - 5 цт. The main frame frequency is 25 Hz. It has been shown that FPA posses the possibility of regulating the time of the current accumulation at fixed frame frequency and the possibility of subtracting the background forming constant in the output device.
Keywords: FPA, CMOS, PtSi, NETD.
Введение. Матричные фотоприемные устройства ИК спектрального диапазона 3-5 мкм на основе силицида платины успешно реализованы рядом зарубежных фирм в разных вариантах считывания фотосигнала, например с помощью ПЗС, КМОП, приборов с вытягиванием заряда (SWEEP), и в разных форматах исполнения - от 128*128 до 640*320 элементов и более [1-3]. Преимуществом этого класса приборов является полная совместимость с кремниевой ПЗС- и КМОП-технологией.
В настоящей работе рассматриваются конструкция и технология изготовления матричных фотоприемных устройств на основе силицида платины (PtSi), адаптированных к КМОП-технологии.
© А.М. Белин, В.И. Золотарев, А.Ю. Никифоров, А.Д. Попов, 2015
Фотоэлектрические параметры диодов Шоттки на основе PtSi. Исследование фотоэлектрических и электрофизических параметров фотодиодов выполнено на тестовых элементах, встроенных по краям фоточувствительного поля матрицы. В работе [4] описаны теоретические исследования фотоэлектрических параметров фотодиодов Шоттки. Типичная спектральная характеристика фотодиода Шоттки при Т = 77 К приведена на рис1.
Математическая обработка областей спектра чувствительности 3-5 мкм показывает, что абсолютная спектральная чувствительность хорошо удовлетворяет классической зависимости:
Рис.1. Спектральная характеристика фотодиода Шоттки при Т = 77 К
л
Б1 (А) = Сц (1 --£- )2,
А о
где А0 - граничная длина волны чувствительности фотодиодов Шоттки.
Константа эмиссии С1 определена теоретически и составляет 0,1-0,12 А/Вт. Величина А0 для всех исследованных структур составляет 5,0-5,5 мкм.
Полученные значения константы эмиссии С1 несколько ниже приведенных в зарубежной литературе максимальных значений (0,15-0,25 А/Вт). Однако такая чувстви-
тельность является оптимальной для комнатной температуры фона, поскольку матрица работает в режиме без деления фонового сигнала при кадровой частоте 25 Гц.
Схемотехнические и конструктивные решения. При разработке схемотехнических решений считывания фотопотенциала использованы принципы, изложенные в работе [5]. Структурная схема разработанной матрицы на основе Р1;Б1 приведена на рис.2.
Матрица содержит два вертикальных регистра сдвига, регистр хранения, горизонтальный регистр считывания и выходной узел, состоящий из мощного истоково-го повторителя и транзистора привязки к уровню черного, который позволяет вычитать постоянную (фоновую) составляющую сигнала. Левый вертикальный регистр сдвига обеспечивает вертикальную развертку, правый - установку фоточувствительных элементов в исходное состояние, горизонтальный - горизонтальную.
и
I
Ош
ТТ-
10
Рис.2. Структурная схема КМОП-матрицы: 1 - матрица фотодиодов; 2 - регистр хранения; 3 - усилитель; 4 - регистр горизонтальной развертки; 5 - регистр установки; 6 - регистр вертикальной развертки; 7 - датчик температуры; 8 - управляющие сигналы регистра вертикальной развертки; 9 - управляющие сигналы регистра установки; 10 - управляющие сигналы регистра горизонтальной развертки
Принципиальная схема аналоговой части приведена на рис.3. Разработаны две схемы: первая непосредственно считывает фотопотенциал и передает его в выходное устройство через истоковые повторители, вторая содержит столбцовое устройство двойной коррелированной выборки, позволяющее передавать в горизонтальный регистр разность между уровнем сигнала и уровнем установки (черного). Таким образом устраняется влияние разбросов порогов истоковых повторителей в ячейках. Ячейка в обеих схемах содержит три транзистора. Каждая схема содержит секцию с четырьмя активными фоточувствителными ячейками и два элемента регистра выборки - хранения и выходной узел.
Рис.3. Электрическая схема аналоговой части матрицы с непосредственной передачей фотопотенциала
Применение трех транзисторов на ячейку - наиболее простая и эффективная схема. Каждая фоточувствительная ячейка содержит фотодиод Шоттки, транзистор установки MN1 (сброса фотопотенциала), истоковый повторитель MN2, ключ подключения ячейки к вертикальной шине считывания. Нагрузкой к истоковым повторителям в ячейке являются регулируемые генераторы тока, выполненные на транзисторах MN4, включенных каскодно. Это позволяет уменьшить влияние разброса порогов на величину сигнала. Регистр хранения содержит ключ выборки MN5, емкость хранения, выполненную в виде МОП-транзистора и интегрированную с затвором истокового повторителя MP1, ключ выборки MN6, подключенный к горизонтальному регистру сдвига. Истоко-
вые повторители регистра хранения подключаются в момент выборки к общему генератору тока на транзисторе МР2. Выходной усилитель состоит из р-канального истоко-вого повторителя и транзистора привязки к уровню черного.
В схеме со столбцовым устройством двойной коррелированной выборки в момент выборки сигнала емкость накопления С1 замыкается на землю. Считывание сигнала производится в момент установки строки. При этом абсолютная величина сигнала будет равняться разности между потенциалом установки столбца и фотопотенциалом и не будет зависеть от потенциала порога повторителя в ячейке.
Необходимые для работы аналоговой части ИС управляющие схемы выполнены на основе квазистатических регистров сдвига.
Регистр состоит из цепочки последовательно соединенных D-триггеров, входных буферных повторителей и выходного повторителя, служащего для контроля работоспособности регистра в целом и являющегося одним из критериев разбраковки кристаллов. Все элементы сделаны с использованием стандартных КМОП-элементов.
Триггеры выполнены на основе двухступенчатых статических триггеров D-типа. Особенностью триггеров является использование инверторов с динамическим управлением (управлением по питанию). Последовательное соединение триггеров обеспечивает сдвиг входного импульса по регистру и соответствующее сканирование под действием импульсов. Применение двухступенчатого триггера обеспечивает синхронизацию работы всех триггеров регистра независимо от их числа. Каждый отдельный триггер управляется пара-фазными синхроимпульсами, которые вырабатываются из управляющего внешнего синхроимпульса в непосредственной близости от триггера с помощью пары последовательных инверторов. Так снимается проблема рассогласования синхронизации из-за разброса паразитных емкостей. Элементарная ячейка хранения триггера выполнена на двух инверторах, образующих кольцо. Отличительной особенностью триггера является наличие двух инверторов с динамическим управлением, работающих вместе с обычным инвертором поочередно, в зависимости от состояния синхроимпульса. Один из динамических ключей замкнут в кольцо с обычным инвертором, а вход второго является входом триггера.
Для стыковки матрицы предусмотрены два теплоотвода с покрытием ТьА1-№ размером 0,47^9 мм, пригодные для пайки низкотемпературным припоем.
Экспериментальные результаты. Для определения основного параметра смотрящих матриц - температурного разрешения (NETD), необходимо изготовить систему с объективом и плоским черным телом (ФПУ). Тогда дифференциальная чувствительность будет определяться как
£ (Т) = , ТК ' ЪТ
где 5ис - приращение сигнала при изменении температуры на величину 5Т.
Параметр NETD определяется как
КЕТОТ) = Ы"(Т) , £т (Т)
где ип(Т) - шум.
Для измерения фотоэлектрических параметров использовался германиевый объектив «ИК-02» с относительным отверстием 0 =1 (отношение диаметра к фокусному расстоянию). Холодная диафрагма должна иметь равное или меньшее относительное отверстие. Выбрана диафрагма диаметром Б = 14 мм и высотой Ь = 20 мм. Тогда суммарное относительное отверстие системы
© = в / Ь = 0,7.
Измерения температурной чувствительности проводились в диапазоне температур 0-50 °С.
КЕТБ изменяется в диапазоне 0,14-0,07 К. При нормальных климатических условиях КЕТБ составляет 0,1 К.
Тепловизионные изображения с КМОП-матрицы приведены на рис.4. Белые и черные точки на экране - дефекты матрицы, которые легко убираются цифровой обработкой сигнала.
В таблице приведены основные характеристики фотоприемной матрицы, полученные в результате проведенных исследований.
а 6
Рис.4. Тепловизионное изображение с КМОП-матрицы головы человека (а) и следа от ладони человека на стене (б)
Основные характеристики КМОП-матрицы
Параметр Типичное значение
Тип детектора излучения Фотодиод Шоттки на основе PtSi
Размер фоточувствительного поля 9,260x6,912 мм
Формат 240x320 элементов
Размер пикселя 29x29 мкм
Фактор заполнения 48 %
Спектральный диапазон 1,5-5,1 мкм
Квантовая эффективность 0,44 % при 3,5 мкм
Высота барьера 0,24 В
Электронная чувствительность 2,5 мкВ/электрон
Темновой шум 200 электронов
Температурное разрешение (КЕТБ)
при нормальных климатических условиях 0,1 К
Заряд насыщения 1000000 электронов
Максимальная частота 2 МГц
Рассеиваемая мощность <50 мВт
Заключение. В результате исследования с использованием компьютерного моделирования найдено оптимальное схемотехническое решение для фотоприемных матриц, выполненных по КМОП-технологии, отработана технология фоточувствительных
слоев на основе PtSi, спроектирована и изготовлена тепловизионная матрица. Параметры КМОП-матрицы соответствуют международному уровню для тепловизионных матриц аналогичного класса.
Результаты работы могут быть использованы для разработки матриц повышенного формата с уменьшенными проектными нормами проектирования для улучшения пространственного разрешения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (ГК № 14.430.11.0007).
Литература
1. Rogalski A. Infrared detectors: status and trends // Progress in Quantum Electronics. - 2003. -N 27. - Р. 59-210.
2. PtSi FPA with improved CSD operation/ Tadashi Shiraishi, Hirofumi Yagi, Kazuyo Endo et al. // Proc. SPIE 2744. - 1996. - Р. 33-43.
3. High performance 256x244 PtSi Schottky-barrier IR CCD imager / Ruey-Nan Yen et al. // SPIE. -1998. - Vol. 3377. - Р. 148-154.
4. Пороговые характеристики ИК-фотоприемников на основе барьеров Шоттки Pt-p-Si c высоколегированным поверхностным слоем / А.В. Войцеховский, А.П. Коханенко, С.Н. Несмелов и др. // Материалы XVII Междунар. науч.-техн. конф. по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2002). - М., 2002.
5. 640 x 480 element PtSi IR sensor with low-noise MOS XY addressable multiplexer / D.J. Sauer et al. // Applications of Artificial Neural Networks. - International Society for Optics and Photonics. - 1990. -Р. 81-87.
Статья поступила 16 октября 2014 г.
Белин Алексей Михайлович - кандидат физико-математических наук, ведущий инженер-конструктор Центра трансфера и коммерциализации технологий МИЭТ. Область научных интересов: создание микросхем матричных инфракрасных фотоприемных устройств, в том числе датчиков на МЭМС. E-mail: ambelin@mail.ru
Золотарев Виталий Иосифович - кандидат технических наук, начальник лаборатории Научно-технологический центр «Нано- и микросистемная техника» МИЭТ. Область научных интересов: разработка технологии кремниевых матричных ИК-фотоприемников, технология МЭМС-устройств.
Никифоров Александр Юрьевич - кандидат физико-математических наук, ведущий инженер ОАО «Швабе-Фотосистемы» (г. Москва). Область научных интересов: разработка и создание фотоприемных устройств ближнего и дальнего ИК-диапазона спектра, разработка технологических процессов создания фоторезисторов и фотодиодов на основе твердых растворов КРТ, схем считывания, мультиплексоров для гибридных фотоприемных устройств.
Попов Алексей Дмитриевич - инженер-конструктор Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» МИЭТ. Область научных интересов: разработка топологии и исследование высокотехнологичных датчиков ИК-спектра и их элементов.
