Диссертация (1090210), страница 19
Текст из файла (страница 19)
3.39 – ВАХ светового токаИз рисунка 3.39 видно, что, начиная со смещения 85 В, измеренное выходное напряжение мультиплексора не изменяется при увеличении напряжения налинейке (хотя линейка выдерживает напряжение до 150 В). Это свидетельствует о том, что мультиплексор насыщается темновым током, что ограничивает егодинамический диапазон.132Низкое темновое сопротивление линейки со встречно-штыревыми контактами обусловлено поверхностными токами утечки. Предложенный простой вариант изготовления линейки на природном алмазе может быть успешно реализован только после решения фундаментальных вопросов пассивации поверхности алмаза, что в настоящее время требует проведения дополнительных исследований.В связи с этим, чувствительный элемент в виде линейки с поверхностнойпроводимостью, был заменён на чувствительный элемент в виде линейки сосквозной проводимостью.3.4.2 Исследование основных фотоэлектрических параметров АМФД типаматрица3.4.2.1 Матрица 64×64 с шагом 50 мкмДля измерения фотоэлектрических параметров матрица 64×64 с шагом 50мкм была смонтирована в корпус «Мамонт» с отверстием (рисунок 3.24), наножки которого были выведены контакты от тестовых 48 элементов.Схема и порядок измерения фотоэлектрических параметров АМФД приведена в приложении Б.Вольтамперные характеристики на матрице 64×64 снимались как при приложении напряжения между платиновым электродом с тыльной стороны матрицы и фоточувствительным элементом с планарной стороны (ток шел черезобъем алмаза), так и при приложении напряжения между тестовыми структурами (ток шел по поверхности), как показано на схематическом рисунке 3.40.Результаты измерения поверхностных токов на матрице показали результаты, аналогичные результатам при измерении линейки.
Также, как и в линейкена матрице доминируют поверхностные токи утечки.Наиболее важными являются результаты измерения при протекания токачерез объем кристалла.133Рис. 3.40 – Варианты приложения смещения к матрице.На рисунке 3.41 показана спектральная чувствительность матрицы форматом64×64 элементов на основе алмаза.На рисунке 3.42 представлены типичные вольтамперные характеристикитестовых элемента матрицы 64×64 на основе алмаза.Рис.3.41 – Относительная спектральная характеристика, снятая на 48 тестовом элементе матрицы 64×64 при смещении 100 В.Из рисунка 3.41 видно, что кристалл алмаза, на котором была изготовленаматрица имеет явно выраженный максимум чувствительности в области 210 нм134и «хвост» чувствительности в области 230-260 нм, обусловленный азотнымицентрами.Из рисунка 3.42 видно, что световые ВАХ имеют резко выраженный нелинейный выпрямляющий вид.
Он связан с большим различием времен жизни генерируемых светом электронов и дырок.Наиболее предпочтительным является вариант, когда потенциал «+» прикладывется к элементу матрицы. То есть мультиплексор должен управлять положительными считывающими импульсами.Рис. 3.42 – Типичные вольт-амперные характеристики тестовых элементовматрицы. 1,2 – зависимость темнового тока от напряжения смещения; 3,4 – зависимость фототока от напряжения смещения.На рисунке 3.43 приведено распределение темнового тока по элементамматрицы при напряжении смещения 50 В.
Видно, что однородность его распределения по элементам весьма мала. Это, по-видимому, связано с локальнымимикронеоднородностями в алмазе.135Рис.3.43 – Распределение темнового тока по элементам матрицы.Фототок с элементов матрицы снимался при интегральной засветке отлампы ДДС-30.Лампа располагалась на расстоянии 50 мм от матрицы. Засветка осуществлялась сквозь полупрозрачный платиновый электрод. На данном этапе работышумовые характеристики элементов матрицы не измерялись, поэтому пороговая чувствительность не определялась.На рисунке 3.44 приведено распределение и гистограмма распределениякратности фотоответа при напряжении смещения 50 ВЧисло элементовUсм= 50 В4038363432302826242220181614121086420-10010203040506070КратностьРис.3.44 – Гистограмма распределения кратности фотоответа по элементамматрицы при напряжении смещения 50 В.136Из рисунка 3.44 видно, что отдельные элементы матрицы обладают оченьвысокой фоточувствительностью с кратностью 60-70, а у большинства – кратность фотоответа лежит в интервале 1-10.Рассчитанное по этой гистограмме среднее значение кратности фотоответаравно 21,04.
Геометрический шум, рассчитанный как стандартное отклонениеот среднего значения равен 21,8%.Такая неравномерность фоточувствительности обусловлена внутреннимилокальными микронеоднородностями природного кристалла алмаза, в которых,по-видимому, присутствуют центры рекомбинации, резко ограничивающиевремя жизни неравновесных электронов и дырок. На данном этапе работы выявлять локально такие центры, влияющие на фотоэлектрические свойства природных образцов алмаза, не представляется возможным.Оптимальный путь повышения однородности параметров матричных фотоприемников на алмазе – изготовление их на эпитаксиальных пленочныхструктурах, в которых возможно управление примесно-дефектным составом,влияющим на электрофизические параметры материала и, следовательно, – наоднородность фотоэлектрических параметров матричных фотоприемников.В действительности, кристалл алмаза обладает сложной структурой, в которой могут быть как локальные области с очень высоким сопротивлением, таки могут быть участки, по которым в основном течет ток.
Поэтому измеряемоеудельное сопротивление образца в целом при изготовлении контактов по всейплощади образца есть некоторая усредненная величина, которая не будет эквивалентна величине, если измерять удельное сопротивление кристалла на локальных участках. Об этом свидетельствует и большой разброс темнового токапо элементам, которые в основном расположены по краям кристалла.3.4.2.2 Матричное ФПУ 64×64 с мультиплексором ISC 9705 INDIGOВнешний вид матрицы, состыкованной с мультиплексором, изображен нарисунке 3.31. Целью измерений было получение изображения с данногоАМФД.
Следует отметить, что эта работа в России выполнена впервые.137Изображения получены с вычитанием темновой составляющей при разныхколичествах кадров усреднения- 10, 20 и 50. Напряжение смещения на матрицеизменялось до 70 В. Время накопления-100 мс. Уровень выходного сигнала соответствовал 2-3 мВ. Следует отметить, что данный мультиплексор ISC 9705INDIGO управляется отрицательными импульсами, тогда как для большей чув-ствительности необходим мультиплексор с положительными импульсами.На рисунке 3.45 показана спектральная характеристика фотоответа матрицы 64×64, снятая с тестового элемента.Рис.
3.45 Относительная спектральная характеристика, матрицы 64×64 присмещении 40 В.ТемновоеУФ, напряжение 52 ВРис.3.46 – Изображение УФ источника, полученное с помощью АМФД64×64 на основе алмаза, шаг матрицы 30×30 мкм., мультиплексор ISC 9705138На рисунке 3.46 представлены изображения УФ источника на основе лампы ДДС-30, полученные с помощью алмазного АМФД 64×64.Более светлые области на темновом изображении − пикселы с высокимтемновым током.3.4.2.3 Матричный АМФД 128×128 с мультиплексором ISC 9705 INDIGOАлмазный чувствительный элемент изготовлялся согласно технологииописанной в разделе 3.3.5Далее, чувствительный элемент помещался на стенд и подключался с помощью зондов к измерительной аппаратуре.
Нами были измерены спектральные и вольтамперные характеристики отдельных пикселей.На данном этапе изготовления матричного фотоприёмника, измерения фотоэлектрических характеристик алмазного элемента рассматривалось как входной контроль, для процесса его сборки.Сначала были выборочно сняты вольтамперные характеристики с пятидесяти пикселей из разных областей матрицы.
Измерения проводились для определения работоспособности алмазного чувствительного элемента и оптимального напряжения смещения.Типичные вольтамперные характеристики на примере трёх произвольныхпикселей представлены на рисунке 3.47.Измерения показали, что оптимальное смещение для данного элемента находиться в диапазоне от 40 до 100 В. В этом диапазоне при достаточно низкомтемновом токе, наблюдается достаточно высокая чувствительность и минимальный разброс фотоэлектрических параметров у разных пикселей.
Кроме того, при низких напряжениях смещения уменьшается вероятность электрического пробоя между контактами, через которые подаётся смещение и контактами,осуществляющими вывод полезного сигнала.139Рис. 3.47 – Типичные вольтамперные характеристики на примере трёх произвольных пикселей. 1 – темновые вольтамперные характеристики; 2 – световые вольтамперные характеристики.Для определённости было выбрано напряжение смещения 40 В.
Типичнаяспектральная характеристика пиксела алмазного элемента при этом смещенииприведена на рисунке 3.48.Рис. 3.48 – Относительная спектральная характеристика, алмазного элементаформатом 128×128 при смещении 40 В.Как видно из рисункарис3.48, максимум фоточувствительности соответствует214 нм. Измеренный рабочий диапазон АМФД (на уровне 0,1 от максимальнойчувствительности) составляет от 180 нм до 270 нм. В сторону более короткихдлин волн, чувствительность алмаза [14] распространяется до 10 нм и захватывает область мягкого рентгена. С этой стороны фоточувствительность будет ограничена пропусканием защитного стекла КУ-1, которое обрезает излучение с140длинной волны короче 150 нм.
Аппаратные возможности не позволили нам определить фоточувствительность данного алмазного элемента на длинах волнкороче 180 нм.Матричный фотоприёмник собирался по технологии, описанной в разделе3.5.6Целью измерений было получение изображения с данного матричного фотоприёмника. Следует отметить, что эта работа в России выполнена впервые.Изображения получены с вычитанием темновой составляющей при разныхколичествах кадров усреднения- 10, 20 и 50. Напряжение смещения на матрицеизменялось до 70 В. Время накопления – 100 мс. Уровень выходного сигналасоответствовал 2 – 3 мВ. Следует отметить, что данный мультиплексор ISC9705 INDIGO управляется отрицательными импульсами, тогда как для большейчувствительности необходим мультиплексор с положительными импульсами.На рисунке 3.49 представлено изображение УФ источника на основе лампы ДДС-30, полученные с помощью алмазного матричного фотоприёмника128×128.Рис.
3.49 – Изображение круглого УФ источника, полученное с помощью матричного фотоприёмника 128×128 на основе алмаза, 1 – тень от экрана, 2 – изображение источникаНа этом рисунке хорошо видна тень от непрозрачного экрана.Для определения неравномерности чувствительности по площади матричного фотоприёмника (геометрического шума) был проведён эксперимент последующей методике.141Матричный фотоприёмник равномерно засвечивался ультрафиолетовойлампой ДДС – 30.Затем, сигнал с равномерной засветкой фиксировался и запоминался вкомпьютер в виде файла изображения с оттенками серого. Затем с помощьюпрограммы ImageJet, строилась гистограмма полученного изображения. Гистограмма изображена на рисунке 3.50. Градация яркости в изображении от 0 до256 характеризуют относительную чувствительность пикселей матричного фо-топриёмника.60005000Число пикселей40003000200010000135136137138139140141142143144145146147148149150Градации яркостиРис.3.50 – Гистограмма для определения геометрического шума.На гистограмме представлены градации яркости с 135 до 150.
Остальныепиксели, имеющие чувствительность, не попадающую в этот диапазон, былипризнаны неисправными. Их общее количество составило 29 шт., т.е не более0,18% от общего числа пикселей. Геометрический шум, рассчитанный какстандартное отклонение от среднего значения равен 8,5%.142Выводы к Главе 31. Изготовление ПЗС-матриц на алмазных полупроводниках проблема-тично из-за отсутствия у алмаза твёрдого окисла и наличия известных проблем,связанных с внедрением в него легирующих примесей.2. Способ наращивания алмазной плёнки на кремниевой микросхеме дляизготовления алмазных приёмников неприемлем вследствие технологическойнесовместимости кремниевой и алмазной технологий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
