1111
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
تعیین ضخامت بهینه مجاز آشکارسازهاي فتودیودي آرایهاي صفحهاي (FPA)<br />
ایندیوم آنتیموناید<br />
1و2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
محمد دارایی ، محسن مرادي ، جواد خوشنظر ، علی اوسط علیپور و محسن اسد<br />
قطعات نیمه هادي، صنعت آپتوالکترونیک، صندوق پستی<br />
دانشگاه آزاد اسلامی - واحد تهران جنوب<br />
19575-199، تهران - ای ران<br />
2<br />
1 صنایع<br />
چکیده - براي قرائت جریان نوري تولیدي توسط یک آشکارساز آرایهاي مادون قرمز ایندیوم آنتیموناید ،(InSb) المانهاي آنرا به یک مدار<br />
قرائت سیلیکونی از طریق جوش ایندیوم وصل مینمایند. این آشکارسازها در دماي 77 درجه کلوین مورد استفاده قرار میگیرند و به<br />
دلیل تفاوت ضرایب انبساط حرارتی مدار قرائت سیلیکونی و تراشه ،InSb در ضخامتهاي بالاي تراشه ،InSb نیروي وارده از حد برش<br />
اتصالات ایندیومی بالاتر بوده و باعث بریده شدن آنها میگردد. محاسبات صورت گرفته در این مقاله نشان میدهد، با کاهش ضخامت<br />
-4<br />
تراشه InSb به مقادیري پایینتر از 12، μm نیروي وارده بر هر جوش ایندیوم از مقدار × 10 N 8/6که حد نیروي لازم براي برش ایندیوم<br />
هاست کمتر میگردد.<br />
کلید واژه: آشکارسازهاي آرایهاي، ایندیوم آنتیموناید، دوربین حرارتی، جوش ایندیوم.<br />
Optimum Allowable Thickness for InSb Focal Plane Array (FPA) Detectors<br />
Mohammad Daraee 1 , Mohsen Moradi 1 , Javad Khoshnazar 1 , Aliousat Alipour 1 and Mohsen Asad 1, 2<br />
1Semiconductor Component Industry (SCI), P.O. Box 19575-199, Tehran, Iran<br />
2 Islamic azad unevrsity- south Tehran branch<br />
Abstract<br />
A hybrid backside illuminated InSb focal plane arrays (FPA) employs a thinned detector bonded to a<br />
semiconductor readout integrated circuit that working temperature is 77K. From these experiments we<br />
extract optimum thickness of InSb detector to act as a reliable to thermal mismatch due to differing<br />
coefficient of thermal expansion mismatch between the detector and Si readout. We have studied arrays<br />
with pitch in the 30μm. We find that the under 12μm thickness is necessary to the no break In bumps.<br />
Keywords<br />
Focal Plane Array Detectors, InSb, Thermal Camera, Thermal mismatch.
يرا<br />
و1<br />
دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان،<br />
28 و 29 اردیبهشت 1390<br />
مقدمه<br />
آشکارساز به پدهاي<br />
یکپارچه سازي که طی آن تک تک المانهاي تراشه<br />
مدار قرائت توسط جوش ایندیوم متصل می شوند.<br />
اتصال تراشه آشکارساز آرایهاي با مدار قرائت<br />
بعد از<br />
،CMOS<br />
است تا تراشه آشکارساز براي کاهش فاصله محل لازم<br />
فوتون تابشی تا محل پیوند نازك شود.<br />
برخورد<br />
ایندیوم آنتیموناید یک نیمه هادي با گاف انرژي بسیار<br />
(0/17<br />
در دماي<br />
اطاق میباشد، لذا<br />
داراي<br />
بسیار زیادي میباشد و براي استفاده از<br />
حاملهاي آزاد<br />
شده از ا این نیمههادي لازم است که دما<br />
فتودیودهاي ساخته<br />
مقادیر کمتر از 77K کاهش یابد.<br />
تا<br />
ضریب<br />
انبساط حرارتی<br />
ایندیوم بین<br />
آنتیموناید<br />
و سیلیکون ،(Si) باعث بروز مشکلاتی بعد از سرد<br />
سازي میگردد. این عدم انطباق باعث وارد شدن تنشهاي<br />
به ستونهاي ایندیوم میگردد. نازكسازي بدنه<br />
مکانیکی<br />
پشت به دلیل کاهش فاصله محل برخورد فوتونها<br />
از<br />
سطح با محل تشکیل پیوند<br />
در<br />
p-n<br />
باعث افزایش<br />
بازدهی<br />
کوانتومی میگردد. بررسیها نشان میدهد که براي داشتن<br />
کوانتومی بالاتر از بازدهی<br />
کمتر از به<br />
25<br />
80<br />
μm<br />
درصد لازم است تا ضخامت<br />
کاهش پیدا کند<br />
.[7]<br />
صورت گرفته در این مقاله، نشان میدهد که این<br />
بررسیهاي<br />
این نوع آشکار ساز نوري و کاربردهایی در<br />
کاهش تنشهاي کششی وارد شده به ستونهاي<br />
به<br />
میکند و کاهش ضخامت از یک مقدار<br />
ایندیوم کمک<br />
براي جلوگیري از قطع اتصالات ایندیومی ضروري مشخص،<br />
و نتایج بحث<br />
این مقاله براي یک آشکارساز فوتودیودي آرایهاي<br />
در<br />
InSb<br />
با تعداد المانهاي<br />
المان از المان مجاور هر<br />
320×320<br />
30<br />
μm<br />
آشکارسازهاي مادون قرمز آرایهاي، امروزه به شکل<br />
گستردهاي به منظور تصویرسازي حرارتی در کاربردهاي<br />
پزشکی و نظامی مورد استفاده قرار میگیرند. براي<br />
آشکارسازي امواج مادون قرمز در طول موجهاي μm<br />
میباشد. فاصله<br />
و سطح مقطع ستونهاي<br />
3- 5<br />
که باند میانی مادون قرمز را تشکیل میدهند، از نیمه<br />
هادیهاي با باند انرژي کوچک مانند<br />
HgCdTe<br />
ترکیباتی از این نیمههادیها استفاده میشود<br />
InSb و<br />
.[2<br />
]<br />
و<br />
این آشکارسازها از تعداد زیادي دیود مجزا (شکل1)، در<br />
ساختاري یکپارچه تشکیل شدهاند.<br />
ساخت این ددیودها عموما" یک بستر نیمههادي نوع<br />
سپس با استفاده از کاشت یون برلیوم<br />
انتخاب میکنند،<br />
n<br />
[3]<br />
ایجاد میکنند. المانهاي آشکارساز توسط<br />
فرآیند لیتوگرافی و زدایش شیمیایی از هم جدا میگردند<br />
لایههاي فلزي و ستونهاي ایندیومی براي<br />
و در نهایت،<br />
المانهاي د دیودي آشکارساز ساخته شده و مدار<br />
اتصال بین<br />
ایجاد میگردند<br />
قرائت سیگنال<br />
.[5]<br />
نماي جانبی یکی از المانهاي آشکارساز آرایهاي مادون قرمز<br />
شکل1:<br />
قرائت یک مدار مجتمع با فن آوري ،CMOS متشکل از<br />
مدار<br />
مدارات مولتی پلکسر و تقویت کننده است که با اسکن افقی<br />
و عمودي جریان فوتونی تک تک المانها را قرائت کرده و به<br />
دادههاي سریال به مدار خارجی پردازشگر سیگنال<br />
صورت<br />
منتقل میکند.<br />
آرایهاي صفحهاي ایندیوم<br />
فتودیودي<br />
آشکارسازهاي<br />
2بعدي بعد از ساخت با استفاده از<br />
آنتیموناید<br />
ستونهاي ایندیوم به مدار قرائت سیلیکونی جوش داده<br />
،(2D)<br />
میشوند (شکل2)، لذا فوتونهاي فرودي از پشت به این<br />
آشکارساز تابیده میشوند که در اصطلاح به آنها<br />
آشکارسازهاي تابش از پشت<br />
: شکل2<br />
کوچک<br />
اختلاف<br />
فرآیند<br />
eV)<br />
(InSb)<br />
InSb<br />
InSb تراشه<br />
نازكسازي<br />
اینگونه<br />
است.<br />
- 1<br />
ب<br />
یک لایه از نوع<br />
صفحهاي<br />
(Backside illumination)<br />
P<br />
[4]<br />
InSb<br />
[6]. میگویند
دومین همایش ملی مهندسی اپتیک و لیزر ایران<br />
در اینجا مقدار تغییر طول سیلیکون<br />
که<br />
ناشی از نیرو از روابط3 و<br />
(∆L SF ) و InSb<br />
4<br />
F⋅<br />
LST<br />
=<br />
Y ⋅t<br />
⋅W<br />
(3)<br />
(4)<br />
آن که در<br />
آنتیموناید،<br />
بدست میآید:<br />
∆L<br />
∆L<br />
SF<br />
IF<br />
F⋅<br />
L<br />
=<br />
Y⋅<br />
A<br />
ST<br />
F⋅<br />
L<br />
=<br />
Y⋅<br />
A<br />
IT<br />
S<br />
S<br />
F⋅<br />
L<br />
=<br />
IT<br />
Y ⋅t<br />
⋅W<br />
I<br />
I<br />
t S<br />
ضخامت سیلیکون،<br />
t I<br />
W<br />
یانگ سیلیکون، مدول<br />
ضخامت ایندیوم<br />
عرض یک ردیف از ستونهاي ایندیوم،<br />
Y S<br />
Y I<br />
مدول یانگ ایندیوم آنتی موناید و<br />
وارده بر یک ردیف از ستونهاي ایندیوم میباشند.<br />
نیروي<br />
فرض صلب بودن اتصالات ایندیومی، طول نهایی دو جسم با<br />
دماي 77KK<br />
روابط با جاگزاري<br />
با هم برابرند، لذا:<br />
LSTB<br />
= LITB<br />
⇒ LST<br />
− ∆LSF<br />
= LIT<br />
+ ∆LIF<br />
1،2،3<br />
و4 در معادله<br />
5<br />
و سادهسازي،<br />
وارده بر یک ردیف از جوشهاي ایندیوم بدست میآید:<br />
نیروي<br />
( α −α<br />
)<br />
W ⋅ S I ⋅ ∆T<br />
F =<br />
1+<br />
αI<br />
∆T<br />
1+<br />
αS<br />
∆T<br />
+<br />
YI<br />
⋅tI<br />
YS<br />
⋅tS<br />
(∆L IF )<br />
F<br />
10×10<br />
μm 2<br />
بوده و با جوش ایندیوم به یک<br />
مدار قرائت از جنس سیلیکون به ضخامت μm<br />
جوش 650<br />
داده شده است.<br />
شکل3-الف سطح مقطع مدار قرائت سیلیکونی و آشکارساز<br />
InSb<br />
را در دماي محیط نشان میدهد، در این<br />
حالت طول دو جسم با هم برابر است. شکل3 -ب انقباض<br />
حاصل از سرد سازي هر دو جسم بعد از رسیدن به دماي<br />
در حالت آزاد (قبل از جوش مکانیکی دو جسم) را<br />
میدهد، همانگونه که در این شکل مشاهده میشود،<br />
نشان<br />
میزان انقباض<br />
InSb<br />
با توجه به بالاتر بودن ضریب انبساط<br />
حرارتی آن بیشتر از سیلیکون میباشد.<br />
شکل3-ج حالتی را نشان میدهد که مدار قرائت سیلیکونی<br />
و آشکارساز آرایهاي<br />
InSb<br />
بعد از جوش ستونهاي ایندیوم به<br />
رسیدهاند، همانگونه که مشاهده میشود، تغییر<br />
گونهاي است که طول ثانویه هر دو جسم یکسان<br />
طول به<br />
بماند این حالت با این فرض اتفاق میافتد که ستونهاي<br />
ایندیوم مقاومت لازم در برابر نیروهاي وارده حاصل از<br />
انبساط حرارتی غیر یکسان دو جسم را داشته باشند.<br />
در<br />
(5)<br />
(6)<br />
ایندیوم<br />
آرایهاي<br />
77K<br />
77 دمايK<br />
بر اساس نظریه معیار تسلیم ون میزز از طرفی<br />
،(Misses تنش تسلیم برشی نهایی Von-)<br />
(τ u<br />
)<br />
که باعث گسیخته<br />
اتصال جوشهاي ایندیومی میشود، بصورت زیر از روي<br />
شدن<br />
تسلیم کششی نهایی تنش<br />
(σ u<br />
)<br />
قابل محاسبه است<br />
:[8]<br />
σ u<br />
τ u =<br />
(7)<br />
3<br />
لازم براي برش اتصالات ایندیومی به سطح مقطع لذا نیروي<br />
رابطه 8 از<br />
A<br />
شکل3<br />
نماي جانبی مدار قرائت سیلیکون و تراشه<br />
اتاق قبل از جوش، (ب) در دماي<br />
بعد از جوش ایندیوم.<br />
بدست میآید:<br />
( فلا( InSb<br />
77K<br />
:<br />
دماي 77K<br />
در دماي<br />
قبل از جوش ایندیوم، (ج) در<br />
F τ u .<br />
A<br />
از معادلات تغییر طول بواسطه تغییر دمایی و شکل3 داریم: (8)<br />
در دماي ایندیوم<br />
77K<br />
(InSb<br />
سازي شبیه<br />
MPa برابر<br />
(دماي کاري آشکارسازهاي مادون<br />
15<br />
10×10 μm 2<br />
اتصالات ایندیومی<br />
براي برش لازم<br />
و ابعاد اتصالات ایندیومی در این<br />
N<br />
میباشد، بزرگی نیروي<br />
-4<br />
× 10 8/6 محاسبه<br />
LST<br />
= L 0 + L 0 α S ∆T<br />
LIT<br />
= L + L 0 α I ∆T<br />
K)0<br />
طول اولیه دو زیرلایه در دماي اتاق<br />
که در آن L 0<br />
طول سیلیکون و<br />
،(300<br />
در دماي InSb طول L IT<br />
α S<br />
و T،<br />
ضریب انبساط خطی سیلیکون و میباشد.<br />
α I<br />
همچنین به دلیل خاصیت الاستیکی، موارد تحت بارهاي<br />
کششی<br />
فشاري یا<br />
InSb<br />
(F)<br />
دچار کاهش یا افزایش طول میشوند<br />
میزان تنش تسلیم کششی نهایی براي فلز<br />
به توجه<br />
=<br />
با قرمز<br />
میشود.<br />
(1)<br />
(2)<br />
L ST
ب(<br />
دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان، 28 و 29 اردیبهشت 1390<br />
: جدول1<br />
قرائت سیلیکونی<br />
مشخصات فیزیکی، مکانیکی و ابعادي تراشه<br />
ضخامت مدار قرائت سیلیکونی<br />
ضریب انبساط خطی سیلیکون<br />
ضریب انبساط خطی<br />
اختلاف دما<br />
InSb<br />
6<br />
m<br />
(t S )<br />
و مدار<br />
-<br />
650×10<br />
2/49×10<br />
- 6 K -1<br />
4/7×10<br />
- 6 K -1<br />
- 220 K<br />
(α S )<br />
(α I ) InSb<br />
(∆T)<br />
مدول یانگ سیلیکون<br />
مدول یانگ<br />
0/98×10 11 N/m 2<br />
4/7×10 11 N/m 2<br />
(Y S )<br />
(Y I ) InSb<br />
عرض یک ردیف از ایندیومها<br />
-6<br />
30×10 m<br />
(W)<br />
با جاگزاري مقادیر عددي پارامترهاي رابطه6 که در جدول1<br />
آورده شده است، نمودار نیروي وارد بر یک ستون ایندیوم بر<br />
حسب ضخامت آشکارساز فوتودیودي<br />
بدست میآید.<br />
InSb<br />
مطابق شکل4<br />
از تلاقی نمودار بدست آمده با خط نیروي<br />
برش اتصالات ایندیومی، بیشینه ضخامت مجاز تراشه<br />
بدست میآید.<br />
InSb<br />
لازم به ذکر است نیروي مذکور از تقسیم اندازه نیروي وارده<br />
بر یک ردیف از ستونهاي ایندیوم به نصف تعداد جوشهاي<br />
ایندیوم بدست آمده است و از آنجا که بیشترین نیرو در دو<br />
بعد به آخرین جوشهاي ایندیومی چهار گوشه وارد میشود،<br />
لذا بزرگی نیروي برآیند وارد<br />
محاسبه میشوند.<br />
: (الف) شکل4<br />
آرایه بر حسب ضخامت تراشه<br />
بر این ستونهاي ایندیوم<br />
نمودار نیروي وارد بر دورترین اتصال ایندیومی از مرکز<br />
InSb<br />
با مشخصات جدول1،<br />
(<br />
محاسبه شده براي برش اتصالات ایندیومی به ابعاد 10×10. μm 2<br />
نیروي<br />
همانگونه که در شکل4 مشاهده میشود، اگر ضخامت تراشه<br />
InSb<br />
μm از<br />
بکار رفته در آشکارسازهاي آرایهاي مادون قرمز بیش<br />
12<br />
باشد، تراشه مذکور پس از سردسازي تا دماي<br />
کاري اینگونه از آشکارسازها<br />
،(77K)<br />
از مدار قرائت جدا<br />
میگردد و قابل استفاده نمیباشد.<br />
-2<br />
نتیجهگیري<br />
در ساخت آشکارسازهاي فوتودیودي آرای هاي مادون قرم ز<br />
ایندیوم آنتیموناید ،(InSb) به منظور قرائت جریان نوري تک<br />
تک المانهاي آرایه، لازم است المانهاي آشکارساز با استفاده<br />
از جوش ایندیوم به یک مدار قرائت سیلیکونی متصل گردند،<br />
با توجه به دماي کاري آشکارسازهاي فوتودیودي<br />
InSb<br />
77K<br />
ک ه<br />
میباشد، لازم است تا مجموعه هایبریید شده ب ا<br />
استفاده از سامانههاي سرما ساز، سرد شوند. به دلیل اختلاف<br />
ضرایب انبساط حرارتی سیلیکون و ،InSb نیرویی بر<br />
ستونهاي ایندیوم وارد میشود. نازك کردن ضخامت بدن ه<br />
InSb<br />
باعث کاهش نیروي وارده میگردد، محاسبات صورت<br />
گرفته نشان میدهد به منظور این که نیروي وارده ب ر ه ر<br />
جوش ایندیوم از مقدار N<br />
-4<br />
8/6 × 10<br />
که حد نیروي لازم<br />
براي برش این دیوم هاست کمت ر گ ردد ، ضخامت بدن ه<br />
آشکارس از م ادون قرم ز ب ه مق ادیري پ ایینت ر از 12μ m<br />
می بایستی کاهش یابد و در غیر اینصورت اتصال هاي بین<br />
قرائتگر و آشکارساز به طور کامل برقرار نشده و قسمتی از<br />
تصویر را از دست خواهیم داد.<br />
مراجع<br />
[1] Rogalski, A., "Optical datactors for focal plane array"s,<br />
Opto-electronic review, 12(2), pp. 221-245, 2004.<br />
[2] Rogalski, A. and Razeghi, M., "Narrow gap semiconductor<br />
photodiodes", SPIE, Vol. 3287, pp. 1-15, 1998.<br />
[3] علیپور، علی اوسط؛ مرادي، محسن؛ دارایی، محمد؛ راستگو،<br />
مرتضی؛ «طراحی و ساخت آشکارساز فوتودیودي InSb با استفاده<br />
از کاشت یون<br />
«Be +<br />
1388؛ دانشگاه یزد .<br />
شانزدهمین کنفرانس اپتیک و فوتونیک ایران؛<br />
[4] M. Daraee, M. Moradi, M. Hajian, M. Rastgoo, M.A.<br />
Forghani, "Effects of 3H etchant on InSb A and B sides for<br />
array fabrication", Electron. Lett. Volume 45, Issue 18,<br />
2009, pp. 957–958.<br />
[5] M. Moradi, M. Daraee, M. Hajian and M. A. Forghani,<br />
"Optimum concentration of InSb photodiode for minimum<br />
low reverse bias leakage current", Ukr. J. Phys., Vol. 55, No.<br />
4, (2010).<br />
[6] Ilan Bloom, Yael Nemirovsky, "Bulk life time determination<br />
of etchthinned InSb wafers for two-dimensional infrared<br />
focal plane arrays", IEEE Trans. Electron Dev. 39 (4) 1992.<br />
[7] Tal Fishman, V. Nahum, ET. al, "3D simulation of detector<br />
parameters for backside illuminated InSb 2-D arrays",<br />
SemiConductor Devices (SCD), P.O. Box 2250, Haifa 31021<br />
[8]<br />
ویلیام هاس فورد، راب رت کدل؛ «شکل دادن فلزات متالوژي و<br />
مکانیک» انتشارات دانشگاه صنعتی شریف؛ صفحه 42.
Change language