Современные тенденции технического развития фотоприёмных устройств (ФПУ) различных спектральных диапазонов

В этом году, в конце мая в АО «НПО «Орион» состоялась традиционно проходящая раз в два года уже 27-я Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, посвящённая вопросам развития фотоэлектронных приборов и, в частности, ФПУ и сенсорных датчиков различных спектральных диапазонов. В ходе докладов, прозвучавших на заседаниях, а также в процессе дискуссий, происходивших на полях конференции, были определены основные тенденции технологического продвижения фотосенсорики, некоторые из которых послужили материалом для данной статьи. И начнём мы свой обзор с одного из старейших типов фотоэлектрических устройств - электронно-оптического преобразователя (ЭОП).

 

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЭОП)

 

Строго говоря, ЭОП в своём изначальном виде – это конечно фотопреобразующие, а не фотоприёмное устройство, но, разумеется, существуют и гибридные ФПУ, совмещающие в себе ЭОП и ПЗС или КМОП матрицу. Первый ЭОП поколения 0 (т.н. “стакан Холста”) появился ровно 90 лет назад в 1934г. Со временем был создан ЭОП I поколения, оснащённый фотоумножителем, а затем и ЭОП II поколения, где вместо умножителя используется микроканальная пластина. ЭОП III поколения вместо вакуумной камеры получил фотокатод на основе арсенида галлия (GaAs).

Схема ЭОП III поколения

 

ЭОП-м предрекали забвение сначала при появлении тепловизионных микроболометров, а затем и при выходе на рынок низкоуровневых КМОП сенсоров, визуализирующих ближний инфракрасный диапазон (NIR), но приборы ночного видения на основе ЭОП не только не исчезли с рынка, но и продолжают совершенствоваться. Залогом тому служит простота и высокая надёжность ЭОП, а также их широкий динамический диапазон.

 

В настоящее время ведутся активные работы по созданию как новых поколений ЭОП, так и в направлении улучшения схемотехники существующих поколений. Большинство этих работ связанно как с совершенствованием энергопотребления и конструкции, так и с расширением функциональных возможностей приборов на основе ЭОП. Существенный интерес представляет и разработка фотокатодов с чувствительностью, продлённой в длинноволновую область инфракрасного диапазона (напомню, что классический ЭОП работает в диапазоне 0,4 – 1мкм), а также работающих в ультрафиолетовом и рентгеновском спектре электромагнитного излучения. Однако главным недостатком ЭОП, который функционирует по принципу усиления сигнала, остаётся необходимость наличия какой-то остаточной освещённости, в то время как тепловизионным матрицам она не требуется.

 

КМОП (CMOS) И ПЗС (CCD) СЕНСОРЫ

 

ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) сенсоры представляют собой фотоприёмную матрицу в основном видимого диапазона (в специальных версиях с заходом в ближний УФ и ближний ИК диапазоны) на основе кремния (Si), состоящую из набора точечных фотоприемников — пикселей, способных преобразовывать световую энергию в заряд, который впоследствии оцифровывается, и с его помощью формируется конечное изображение, полученное сенсором. CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с зарядовой связью), который собирает изображение в аналоговой версии, а затем оцифровывает его целиком. CMOS — это complementary metal-oxide-semiconductor (КМОП - комплементарный металл—оксид—полупроводник). КМОП матрица работает по другому принципу, нежили ПЗС: каждый пиксель оцифровывается прямо на месте (в момент приёма светового сигнала). Фотоприёмные технологии ПЗС и КМОП матриц были созданы примерно в одно и тоже время (конец 1960-х гг. и начало 1970-х гг.). ПЗС матрицы на тот момент представлялись более перспективными, поскольку имели большую плотность пикселей, чем КМОП и про последнюю технологию на долго забыли. Реинкарнация КМОП матриц произошла лишь в 1990-е гг., в момент начала всеобщей цифровизации, т.к. сенсоры на базе КМОП оказались более компактными, обладающими большим быстродействием и лучшей интегрируемостью. В настоящее время КМОП матрицы преобладают на рынке сенсоров видимого диапазона, а количество производства ПЗС матриц неуклонно снижается (в перспективе за ними останутся только специальные применения, где важно не только количество пикселей, но и их расположение).

Фотоприёмный модуль RL1801

 

За время своего существования технология изготовления ПЗС и КМОП сенсоров неоднократно совершенствовалась, можно отметить три основных этапа этого процесса:

1. Создание сенсора с глубокими p- и n- карманами, что повлияло на улучшение таких показателей, как контрастность и яркость изображения.
2. Переход от архитектуры с фронтальной регистрацией светового потока (FSI) к архитектуре с тыльной засветкой (BSI). Такая форма приёма сигнала позволила повысить чувствительность сенсора и расширить его спектральный диапазон от ближнего УФ до ближнего ИК.
3. Создание сенсора sCMOS (Scientific CMOS – научный КМОП), который представляет собой слияние КМОП и ПЗС технологий (двойная обработка сигнала с улучшением всех показателей представления конечного изображения).

Дальнейшее развитие технологий цифровой визуализации может быть связано с применением нового типа фоточувствительных материалов при изготовлении сенсоров видимого диапазона, так уже достаточно давно идёт речь о разработке видеоматриц на основе т.н. «чёрного кремния» - SiOnyx, что способно увеличить квантовую эффективность данного типа ФПУ примерно на 30%.

 

МИКРОБОЛОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ВАНАДИЯ (VOx) И АМОРФНОГО КРЕМНИЯ (α-Si)

 

Принцип действия микроболометра основан на изменении сопротивления, как и в фоторезисторе, но главный механизм детектирования другой. В микроболометре падающее излучение нагревает материал, что, в свою очередь, приводит к изменению сопротивления, т.е. прямого взаимодействия фотонов с электронами материала как в КМОП или ПЗС матрицах в данном случае нет. Технология создания VOx (диоксид ванадия) микроболометров была разработана компанией Honeywell (США) в середине 1980-х и лишь примерно 10 лет спустя компании ULIS (Франция) и L3Com (США) освоили выпуск микроболометров на основе α-Si (легированный аморфный гидрированный кремний α-Si:H). Cтруктура пикселя на основе α-Si обладает лучшими характеристиками, чем аналогичная структура на VOx, но тепловизионная матрица на α-Si более требовательна к условиям эксплуатации, поэтому наибольшее распространение получили именно детекторы на VOx.

 

В настоящее время на рынке ФПУ ИК диапазона микроболометры занимают доминирующие позиции, что прежде всего обусловлено тем, что они не требуют дополнительного охлаждения матрицы и работают в самой широкой и стабильной зоне атмосферного пропускания ИК излучения (8-14 мкм), а также их отличает относительно низкая стоимость и умеренное энергопотребление в купе с малой массой и компактным размером.

Неохлаждаемый тепловизионный модуль MicroIIIS

 

Основные тенденции технологического развития микроболометров на ближайшее будущее примерно таковы:

1. Повышение формата фотоприёмных матриц при одновременном понижении шага пикселя. В принципе уже сейчас широко доступны мегапиксельные микроболометры (1920×1080 с шагом пикселя 8 мкм), однако это не является их технологическим пределом.
2. Повышение функциональных возможностей (микроболометры с элементами поляризации и т.д.), что должно в идеале сделать микроболометрические матрицы сопоставимыми по чувствительности с охлаждаемыми тепловизионными детекторами.
3. Усовершенствование технологий изготовления (корпусирование на кристалле и т.д.), которое призвано вплотную приблизить микроболометры по масштабируемости прозводства к КМОП сенсорам.
4. Применение при изготовлении ИК сенсоров новых светочувствительных материалов (графен, другие 2D-структуры и т.п.), т.е., по сути дела, идёт речь о появлении в недалёком будущем тепловизионных сенсоров на основе нанобалометров.

 

ФПУ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛИЯ (InGaAs)

 

Впервые монокристаллические плёнки InGaAs, обладающие спектральным откликом в диапазоне 0,9–2,5 мкм были получены ещё в середине 1970-х, но первая камера на основе такого сенсора, обладающая высокой чувствительностью в коротковолновом ИК диапазоне (SWIR камера), была предположительно создана в начале 1990-х американской компанией Sensors Unlimited, Inc. (ныне это подразделение Raytheon). Принцип работы SWIR сенсора на основе InGaAs аналогичен принципу работы кремниевого КМОП датчика, который преобразует фотоны в электроны. И хотя коротковолновый ИК сигнал не виден невооружённым глазом, но он по своим характеристикам очень похож на электромагнитные волны видимого спектра, поэтому SWIR камера принимает не только прямое тепловое излучение, но и отражённое. С этим также связаны и основные особенности SWIR сенсоров: доступность создания матриц с высоким разрешением (более чем 1280×1024, при шаге пикселя менее 10 мкм), получение одинакового по качеству дневного и ночного изображения, достаточность для работы термоэлектрического охлаждения (TEC) на основе элемента Пельтье. Кроме того, сенсоры SWIR диапазона на базе InGaAs обладают и рядом уникальных свойств, таких, например, как способность видения через затемнённое стекло или через туманную дымку.

 

Долгое время шли работы над созданием легко воспроизводимого серийно сенсора из соединения InGaAs, способного одновременно давать изображение как в видимом диапазоне спектра (0,4–0,7 мкм), так и в коротковолновом ИК диапазоне (0,9–1,7 мкм). И вот наконец 16 марта 2020 года японская корпорация Sony подала на регистрацию товарный знак «SenSWIR», придуманный для сенсоров IMX990 и IMX991на основе InGaAs, работающих в диапазоне VIS-SWIR (0,4–1,7 мкм). Технология SenSWIR позволяет производить более компактные камеры с высоким разрешением на основе таких сенсоров за счет уменьшения размера пикселей.

Камера SWIR SW-5T

 

Также в 2020 году компания SWIR Vision Systems (США) выпустила на рынок серию коротковолновых ИК камер форматом 640х512, 1280х1024, 1920х1080 и с шагом пикселя 15 мкм с ФПУ собственной разработки на основе коллоидных квантовых точек (ККТ) из соединения PbS, которые по качеству не уступают традиционным SWIR детекторам InGaAs, но потенциально дешевле и технологичнее последних при диапазоне спектральной чувствительности 0,3–2,1 мкм. Более подробно о технологии создание ФПУ на ККТ будет рассказано ниже.

 

ОХЛАЖДАЕМЫЕ ФПУ ИК ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ РТУТИ (CdHgTe) И АНТИМОНИДА ИНДИЯ (InSb)

 

Фоточувствительность твёрдого раствора теллурида кадмия ртути (КРТ) в ИК диапазоне была обнаружена в конце 1950-х гг. Одно из первых тепловизионных ФПУ на КРТ - «Лена ФН» (50 чувствительных элементов размером 100 × 100 мкм, расположенных в один ряд с шагом 130 мкм) было создано в 1975 году на московском заводе «Сапфир» и работало в средневолновом ИК диапазоне (3-5 мкм). За рубежом лидером по производству ФПУ на КРТ долгое время начиная c 1960-х гг. была компания AGEMA Infrared Systems (Швеция). Одной из главных особенностей этих ФПУ стала необходимость охлаждения фотоприёмной матрицы до криогенных температур (ниже 70К), что первоначально осуществлялось за счёт громоздких высокорасходных систем на основе жидкого азота, пока в 1987 году компанией Mitsubishi (Япония) для охлаждения ФПУ не была применена компактная микрокриогенная система (МКС) на основе циркуляции гелия, работающая по замкнутому циклу Стирлинга, а первое матричное ФПУ на КРТ современного типа было выпущено компанией Inframetrics (США) в 1993 году.

 

Первоначально ФПУ на КРТ использовались во всех трёх «спектральных окнах» ИК диапазона: SWIR (0,9 – 1,7 мкм), MWIR (3 – 5 мкм) и LWIR (8-14 мкм), однако с течением времени в SWIR диапазоне они были существенно потеснены гораздо более технологичными детекторами из арсенида галия (InGaAs), которым для работы достаточно термоэлектрического охлаждения (ТЕС). В настоящий момент в диапазоне MWIR серьёзную конкуренцию фотоприёмным матрицам на КРТ составляют так же охлаждаемые ФПУ на антимониде индия, что обусловлено их более высокой квантовой эффективностью и равномерностью чувствительности в диапазоне 1-5 мкм, а также меньшим временем криостатирования (выхода на рабочий режим).

 

Единственным диапазоном, где охлаждаемые матричные и линейные ФПУ на КРТ остаются по-прежнему сильно востребованными, является LWIR, однако с развитием технологий изготовления ФПУ на барьерных гетероструктурах nBn (xBn), о которых пойдёт речь ниже, вполне возможно классическим детекторам на КРТ там также придётся потесниться.

 

ФПУ НА КВАНТОВЫХ ЯМАХ (QWIP) И НА СВЕХРЕШЁТКАХ II ТИПА (T2SL)

 

Квантовые ямы представляют собой гетероструктуры, в которых тонкий слой одного полупроводника зажат между двумя слоями другого полупроводникового материала, тем самым образуя гетеропереход. Возможность использования квантовых ям для получения ИК изображения изучалось ещё в 1980-е гг., однако первое такое изображение было получено только в 1991г. в Bell Laboratories (США) в диапазоне 8-12мкм, а первая тепловизионная камера на основе QWIP (quantum well infrared photodetector) с чередованием слоёв GaAs (ямы) и AlGaAs (барьеры) была продемонстрирована в 1997г. Основными преимуществами QWIP детекторов являются большая однородность чувствительности в широком диапазоне приёма ИК излучения (3 – 14мкм) и почти полное отсутствие дефектных пикселей (работоспособность матрицы - 99,9%). Современное QWIP ФПУ включает в себя устройство ввода излучения в виде дифракционной решетки, матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную со схемой считывания, и МКС Стирлинга, охлаждающую детектор до криогенных температур. Однако QWIP ФПУ до сих пор являются достаточно дорогостоящим изделием и занимают всего около 2% от общего рынка охлаждаемых ФПУ, а также вполне возможно, что структура QWIP является лишь промежуточным этапом становления новых технологических решений в области фотосенсорики, например, таких как ФПУ на сверхрешётках ll типа.

 

Сверхрешётки — это связанные множественные квантовые ямы, которые представляют собой многослойный пленочный материал, образованный чередующимися тонкими слоями двух разных компонентов в виде нанометровой структуры. В сверхрешётках II типа (Type-II superlattice – T2SL) поддиапазоны проводимости и валентности расположены в шахматном порядке, так что электроны и дырки находятся в разных слоях. Хотя ФПУ на основе технологии T2SL появились сравнительно недавно (в 2010-х гг.), сейчас это одно из наиболее динамично развивающихся направлений в сфере создания охлаждаемых ИК ФПУ. Залогом растущей популярности детекторов на T2SL являются такие их качества как высокая квантовая эффективность в сочетании с однородностью чувствительности, возможность высокочастотной съёмки в полноформатном режиме без потери качества изображения, широкая полоса спектрального отклика (1 - 14 мкм), возможность достижения наиболее высокой рабочей температуры среди ФПУ с криогенным охлаждением (до 130К и выше), хорошая технологическая перспектива производственной масштабируемости и т.д.

 

На сегодняшний день существуют три основных вида ФПУ на T2SL:

1. InAs/GaSb T2SL - наиболее распространённый тип ФПУ на свехрешётках II типа, используется в камерах MWIR, LWIR и VLWIR диапазонов.
2. InAs/GaInSb T2SL - структура, обладающая наилучшими показателями поглощения, но являющаяся менее технологичным решением в связи с высокой чувствительностью к изменениям толщины слоев и к флуктуациям состава.
3. InAs/InAsSb T2SL - наименее эффективный тип ФПУ в диапазоне LWIR, хотя он имеет самые малые значения темнового тока в остальных ИК диапазонах.

Структура T2SL на основе соединения InAs/GaSb

 

Униполярные барьеры используются при реализации архитектуры барьерных детекторов для повышения эффективности сбора фотононосителей и снижения генерации темнового тока. В принципе, описанное выше ФПУ на основе сверхрешёток II типа также является одной из разновидностей барьерных детекторов. Среди различных типов барьерных ФПУ наиболее популярным является nBn детектор. Полупроводник n-типа с одной стороны барьера представляет собой контактный слой, в то время как узкозонный полупроводник n-типа с другой стороны барьера образует слой, поглощающий ИК излучение. В настоящее время многие мировые производители тепловизионных ФПУ ведут разработку детекторов на базе nBn (xBn) гетероструктур, в частности в России этим занимается АО ЦНИИ «Циклон» совместно с АО «Светлана-Рост» (Создание ФПУ на фотодиодах InAsSb/AlAsSb со встроенным в активную область барьером (хBn-диоды), работающих в диапазоне 3-5мкм):

Спектральная кривая и внешний вид ФПУ на основе хBn фотодиодов из твёрдого раствора InAsSb/AlAsSb

 

Повышенное внимание разработчиков к детекторам на nBn (хBn) гетероструктурах вызвано многими факторами, главными из которых служат следующие особенности этих ФПУ:

1. Существенное снижение уровня темнового тока.
2. Квантовая эффективность близкая к 100%.
3. Достижение более высоких рабочих температур охлаждаемых ФПУ (до 150К и выше)
4. Улучшение массогабаритных характеристик и энергетических показателей тепловизионных приборов на основе nBn (хBn) ФПУ.

Однако данное направление не является единственным перспективным в области инфракрасной фотосенсорики. Большие надежды также возлагаются на продолжение разработки новых видов ФПУ на коллоидных квантовых точках (ККТ).

 

ФПУ НА ОСНОВЕ КОЛЛОИДНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК (ККТ)

 

ККТ или CQDs представляют собой нанокристаллы (2-10нм), обладающие как излучающими, так и фотоприёмными свойствами. Экспериментально квантоворазмерный эффект в полупроводниковых нанокристаллах был открыт в ГОИ им. С.И. Вавилова в 1981г., а разработка в 1993 году метода высокотемпературного коллоидного синтеза квантовых точек из CdSe (Мунги Бавенди, США) позволило начать промышленное производство этих материалов для различных применений. В настоящее время ККТ синтезированы на основе целого ряда полупроводниковых соединений: Si, C (графит), ZnO, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnSe, HgTe, TiO2, InAs, InP, InSb, GaAs, GaN, GaP, GaInP2, CuInS2 и др., CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnSe, HgTe, TiO₂, InAs, InP, InSb, GaAs, GaN, GaP, GaInP₂, CuInS₂ и др.

Фотодиодный сенсор на основе ККТ HgTe.

 

Существуют три основных мотива, определяющих перспективность технологии ККТ при разработке новых ИК ФПУ:

1. Более низкая себестоимость производства и короткий цикл изготовления при тех же спектральных характеристиках, что и у традиционных ФПУ.
2. Потенциальная возможность повышения рабочих температур охлаждаемых ФПУ (в перспективе функционирование без дополнительного охлаждения).
3. Возможность изготовления детекторов на ККТ для всех ИК диапазонов за счёт широкого выбора светочувствительных материалов.

Как уже говорилось выше, в настоящее время в США налажено серийное производство SWIR детекторов по технологии ККТ и также во всём Мире ведутся активные работы по созданию MWIR ФПУ на основе ККТ, а в более отдалённой перспективе возможно будет и создание LWIR ФПУ по той же технологии, что позволит упростить изготовление крупноформатных матричных ФПУ с шагом пикселя не более 3 мкм.

 

ПРОГНОЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ФПУ РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ НА БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ

 

Подводя итог обзору основных ныне существующих и перспективных технологий в области фотосенсорики, можно выделить следующие тенденции, преобладание которых будет заметно в обозримом будущем:

1. Продолжение конструктивного совершенствования ЭОП и гибридных ФПУ на их основе.
2. Появление КМОП сенсоров, изготовленных из материалов нового типа (SiOnyx, 2D структуры и т.д.) с расширенными возможностями и окончательный уход ПЗС матриц из массового сегмента рынка сенсоров видимого диапазона.
3. Вытеснение охлаждаемых ФПУ на КРТ охлаждаемыми ФПУ на InSb в диапазоне MWIR (3-5 мкм).
4. Появление ФПУ на основе наноболометров в диапазоне LWIR (8-14 мкм) как продолжение тенденции миниатюризации неохлаждаемых тепловизионных модулей.
5. Полная замена охлаждаемых ФПУ на основе QWIP охлаждаемыми ФПУ на основе T2SL.
6. Появление новых видов ФПУ барьерного типа на nBn (хBn) гетероструктурах с улучшенными показателями во всех ИК диапазонах.
7. Создание серийных ФПУ на основе ККТ, работающих в диапазоне MWIR (3-5 мкм) и имеющих достаточно высокий уровень рабочей температуры, а также высокое разрешение в сочетании с малым шагом пикселя (5 мкм и менее).

Насколько оправдан данный прогноз – покажет время.