ПЗС-ФОТОМАТРИЦЫ С ЭЛЕÊТРОННЫМ ÓМНОЖЕНИЕМ · 2020. 6. 26. · Hynecek J. CCM-A new low-noise charge carrier multiplier suitable for detection of

Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2017, ¹ 1–233

ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ

ISSN 2225-5818

ÓÄÊ 621.383.72

К. ò. í. В. П. РЕВА, С. В. КОРИНЕЦ, А. Г. ГОЛЕНКОВ, С. В. САПОН, А. М. ТОРЧИНСКИЙ, к. ф.-м. í. В. В. ЗАБУДСКИЙ, д. ф.-м. í. Ф. Ф. СИЗОВ

Óêðàèíà, г. Êèев, Иíстèтут фèзèêè полупðоводíèêов èм. В. Е. Лàшêàðёвà НАН ÓêðàèíыE-mail: [email protected]

ПЗС-ФОТОМАТРИЦЫ С ЭЛЕÊТРОННЫМ ÓМНОЖЕНИЕМ

В последíее десятèлетèе в техíèêе получеíèя èзобðàжеíèй в вèдèмом è блèжíем èíфðàêðà-сíом дèàпàзоíàх оптèчесêого спеêтðà в усло-вèях свеðхíèзêой освещеííостè появèлèсь íо-вые ðешеíèя — пðèбоðы с зàðядовой связью с элеêтðоííым умíожеíèем (ПЗС-ÝÓ), осíовàí-íые íà èспользовàíèè лàвèííого умíожеíèя íо-сèтелей в ПЗС-фотомàтðè цàх. Пðèмеíеíèе лà-вèííого умíожеíèя усèлèвàет фотосèгíàл в ты-сячè ðàз è позволяет ðегèстðèðовàть едèíèчíые фотоíы. Блàгодàðя этому стàло возможíым по-лучеíèе êàчествеííых èзобðàжеíèй пðè меíь-шèх зàтðàтàх íà èзготовлеíèе пðèбоðов íочíо-го вèдеíèя (íàпðèмеð, элеêтðоííо-оптèчесêèх пðеобðàзовàтелей). Мàтðèцы ПЗС-ЭÓ являются твеðдотельíым àíàлогом фотоэлеêтðоííых пðе-обðàзовàтелей è èзготовляются по уíèфèцèðо-вàííым техíологèчесêèм пðоцессàм èíтегðàль-íой техíологèè. Изобðàжеíèя, получеííые êà-меðой с тàêой мàтðèцей, èмеют обычíый вèд è íе тðебуют спецèàльíой подготовêè опеðàтоðà для ðàспозíàвàíèя объеêтов в отлèчèе, íàпðè-меð, от тепловèзèоííых êàмеð вèдеíèя.

Принцип работы ПЗС-ÝÓПосле èзобðетеíèя в 1969 г. В. Бойлем è

Äж. Смèтом пðèбоðов с зàðядовой связью (см., íàпð., [1]) возíèêлà пðоблемà повышеíèя èх чувствèтельíостè. Осíовíое фуíêцèоíàльíое íàзíàчеíèе фоточувствèтельíых ПЗС зàêлючà-ется в пðеобðàзовàíèè фотосèгíàлов в последо-вàтельíость пàêетов элеêтðèчесêèх зàðядов с èх последующей обðàботêой для получеíèя è хðà-

Описаíы приíципы рабоòы фоòомаòриц видимого излучеíия и ближíего иíфракрасíого диапазоíа, спроекòироваííых íа осíове приборов с зарядовой связью с элекòроííым умíожеíием (ПЗС-ЭУ), и обсуждеíа архиòекòура посòроеíия òаких маòриц. Приведеíо краòкое описаíие òехíологии изгоòовлеíия фоòомаòриц ПЗС-ЭУ, а òакже íекоòорые парамеòры спроекòироваííых и изгоòов-леííых эксперимеíòальíых образцов фоòомаòриц формаòа 640×512.

Ключевые слова: ПЗС-фоòомаòрицы, элекòроííое умíожеíие, ближíий ИК-диапазоí, видимое излучеíие.

íеíèя èзобðàжеíèй. Огðàíèчеíèе чувствèтель-íостè обычíых ПЗС обусловлеíо тем, что пðè пðеобðàзовàíèè зàðядà в íàпðяжеíèе в выход-íом êàсêàде шум выходíого усèлèтеля, в зàвè-сèмостè от выходíой емêостè, состàвляет де-сятêè элеêтðоíов, что è огðàíèчèвàет чувствè-тельíость ПЗС. Óмеíьшеíèе же выходíой ем-êостè (для умеíьшеíèя чèслà шумовых элеê-тðоíов) зàтðудíèтельíо èз-зà геометðèчесêèх (êоíстðуêтèвíо-техíологèчесêèх) огðàíèчеíèй техíологèй èх èзготовлеíèя [2].

Óвелèчеíèе фоточувствèтельíостè ПЗС-мàтðèц оêàзàлось возможíым пðè èспользовà-íèè эффеêтà лàвèííого умíожеíèя элеêтðоíов, пеðеíосящèх зàðядовые пàêеты. Этот эффеêт впеðвые опèсàí в [3]. Идея увелèчеíèя фотоге-ðèðовàííого зàðядà зà счет лàвèííого умíоже-íèя элеêтðоíов до пðеобðàзовàíèя его в íàпðя-жеíèе былà выдвèíутà в 1991 г. [4], à впеðвые ðеàлèзовàíà в 2001 г. [5].

Зàðяд может быть увелèчеí зà счет обðàзо-вàíèя между двумя зàтвоðàмè ПЗС облàстè с сèльíым элеêтðèчесêèм полем: êогдà элеêтðо-íы пðоходят чеðез эту облàсть, èх эíеðгèя воз-ðàстàет, è пðè èх ðàссеяíèè íà êðèстàллèчесêой ðешетêе возможíо появлеíèе дополíèтельíых «сèгíàльíых» элеêтðоíов вследствèе удàðíой èоíèзàцèè [6, 7].

Äля ðеàлèзàцèè пðоцессà умíожеíèя элеê-тðоíов в êоíстðуêцèè ПЗС-ЭÓ èмеется допол-íèтельíый элеêтðод, íà êотоðый подàется отíо-сèтельíо высоêое íàпðяжеíèе, íе èспользуемое в обычíых ПЗС. Его велèчèíà зàвèсèт от êðè-стàллогðàфèчесêой оðèеíтàцèè мàтеðèàлà под-ложêè (в дàííом случàе êðемíèй) è íàходèтся в пðеделàх 30—50 В.

DOI: 10.15222/TKEA2017.1-2.33

____________Автоðы выðàжàют блàгодàðíость А. С. Стàíèслàвсêому è С. Е. Äухíèíу зà помощь в пðоведеíèè ðядà эêспеðèмеíтов.



ISSN 2225-5818

Пðоцесс ðеàлèзàцèè удàðíой èоíèзàцèè в стðуêтуðàх ПЗС-ЭÓ возможеí в ðàзлèчíых êоíстðуêтèвíых ðешеíèях, íàпðèмеð со сêðы-тым êàíàлом, с вèðтуàльíой è обычíой фàзой è дð. Нà рис. 1 этот пðоцесс поêàзàí для тðех-фàзíой стðуêтуðы, êотоðàя былà èспользовàíà пðè ðàзðàботêе è èсследовàíèè мàтðèц ПЗС-ЭÓ в дàííой ðàботе.

Быстðое ðàспðостðàíеíèе в последíèе годы èспользовàíèя ПЗС-ЭÓ в сèстемàх вèдеíèя в вèдèмом è блèжíем èíфðàêðàсíом дèàпàзо-íàх спеêтðà, à тàêже пðèмеíеíèе, íàпðèмеð, в àстðоíомèè, пðè спеêтðосêопèчесêèх èсследо-вàíèях, в сèстемàх безопàсíостè è дð., обуслов-леíо возможíостью ðегèстðàцèè с èх помощью èзлучеíèя вплоть до íесêольêèх фотоíов è полу-чеíèя èзобðàжеíèй в условèях íèзêой è свеðх-íèзêой освещеííостè (до 10–4 лê, облàчíàя íочь, â îбычíыõ фîòî-ПЗС — дî 5∙10–2 лê) [9—11]).

Êоэффèцèеíт умíожеíèя для одíой ячейêè ПЗС-ЭÓ состàвляет долè пðоцеíтà. Большèе его зíàчеíèя в отдельíых êàсêàдàх могут пðèвестè ê íеобðàтèмым пðоцессàм в мèêðосхемàх вплоть до ðàзðушеíèя. Поэтому для зàметíого усèле-íèя слàбых сèгíàлов (увелèчеíèя элеêтðоííых пàêетов) пðèмеíяют мíогоêàсêàдíое последовà-тельíое усèлеíèе, êогдà чèсло êàсêàдов достè-гàет íесêольêèх сотеí è дàже тысяч. Еслè êоэф-фèцèеíт усèлеíèя в одíом êàсêàде умíожеíèя К ≈ 1,025, то пðè чèсле êàсêàдов N = 300 общèй êоэффèцèеíт умíожеíèя КЭÓ ≈ 1650 пðè высо-êой сêоðостè счèтывàíèя èíфоðмàцèè.

Пðè всей своей пðèвлеêàтельíостè èспользо-вàíèя мàтðèц ПЗС-ЭÓ в пðèбоðàх ðегèстðàцèè сèгíàлов в условèях íèзêой освещеííостè тех-íологèè ПЗС-ЭÓ èмеют ðяд íедостàтêов, сдеð-жèвàющèх èх ðàспðостðàíеíèе. Нàпðèмеð, в сèстемàх вèдеíèя è ðегèстðàцèè слàбых пото-êов èзлучеíèя мàтðèцы ПЗС-ЭÓ желàтельíо

èспользовàть пðè темпеðàтуðàх, íèже êомíàт-íîé. Сíèжåíèå òåмïåðàòóðы ñåíñîðà íà 20°С дàет пðèмеðíо десятèêðàтíое умеíьшеíèе тем-íовых тоêов, à зíàчèт, è повышеíèе поðоговой чувствèтельíостè. Äля поíèжеíèя темпеðàтуðы ПЗС-ЭÓ èспользуются, êàê пðàвèло, теðмоэлеê-тðèчесêèе устðойствà, êотоðые могут обеспечèть ñíèжåíèå òåмïåðàòóðы ïðèмåðíî íà 30°С ïðè одíоêàсêàдíом èсполíеíèè.

Следует отметèть, что в связè с повышеííой сложíостью èзготовлеíèя мàтðèц ПЗС-ЭÓ èх стоèмость может быть в íесêольêо ðàз выше, чем обычíых. Êðоме этого, поддеðжàíèе посто-яííого высоêого íàпðяжеíèя íà элеêтðодàх ðе-гèстðà умíожеíèя сêàзывàется è íà жèзíеííом цèêле, è íà эíеðгопотðеблеíèè мàтðèц ПЗС-ЭÓ. Одíàêо, íесмотðя íà это, для получеíèя èзобðà-жеíèй в вèдèмой è блèжíей èíфðàêðàсíой об-лàстях спеêтðà в условèях íèзêой è свеðхíèзêой освещеííостè ПЗС-ЭÓ-мàтðèцы íезàмеíèмы.

Ðезультаты исследованийТвеðдотельíые мàтðèчíые ПЗС-ЭÓ, êðоме

случàев èспользовàíèя последовàтельíых ðегè-стðов умíожеíèя, по своей àðхèтеêтуðе íе от-лèчàются от фоточувствèтельíых ПЗС-пðèбоðов [12]. В íàстоящей ðàботе пðè èзготовлеíèè схем ПЗС-ЭÓ фоðмàтà 640×512 (ðàзмеð одíого чув-ствèтельíого элемеíтà 16×16 мêм) èспользовà-лàсь n-êàíàльíàя МОП-техíологèя с двухслой-íым дèэлеêтðèêом (Si3N4—SiO2) è сêðытым êà-

Рèс. 1. Пðоцесс лàвèííого умíожеíèя в ПЗЗ-ЭÓ c тðехфàзíой стðуêтуðой [8]:

φ1, φ2, φ3 — элеêтðоды фàз гоðèзоíтàльíого ðегèстðà пеðеíосà зàðядà; φdc — элеêтðод, íàходящèйся под по-

стояííым íàпðяжеíèем

φ3 φ1 φ3 φdc φ2 φ3 φ1

φ3 φ1 φ3 φdc φ2 φ3 φ1à)

б)

Нàпðàвлеíèе пеðедàчè

Элеêтðоííый потеíцèàл

Рèс. 2. Блоê-схемà мàтðèчíого ПЗС-ЭÓ фоðмàтà 640×512:

IF1, IF2 — элеêтðоды фàзы 1 è фàзы 2 фоточувствè-тельíой чàстè мàтðèцы; SF1, SF2 — элеêтðоды фàзы 1 è фàзы 2 облàстè сохðàíеíèя; OSH (5 мêВ/элеêтðоí), OSL (1,2 мêВ/элеêтðоí) — усèлèтелè ðегèстðов счè-тывàíèя è умíожеíèя (в сêобêàх уêàзàíы зíàчеíèя êо-

эффèцèеíтов пðеобðàзовàíèя)

Сеêцèя хðàíеíèя 664×528 (16×14 мêм)

SF1SF2

IF1IF2

Фоточувствèтельíàя сеêцèя 640×512 (16×16 мêм)

OSL 16 угловых ðàзðядов

OSH

664-ðàзðядíый ðегèстð ðàзвеðтêè

664-ðàз ðядíый ðегèстð умíожеíèя

16

16



ISSN 2225-5818

íàлом n-тèпà с пðоеêтíымè íоðмàмè 2,5 мêм, четыðьмя уðовíямè полèêðемíèя è двумя уðов-íямè метàллà. Мàтðèцà ПЗС-ЭÓ спðоеêтèðо-вàíà по àðхèтеêтуðе с пеðеíосом êàдðà (frame transfer CCD). Чàстотà выводà вèдеосèгíàлà ν ≈ 11 МГц, что достàточíо для получеíèя чà-стоты êàдðов f ≈ 25 Гц.

Мàтðèцà ПЗС-ЭÓ состоèт èз двух сеêцèй: фоточувствèтельíой è сеêцèè сохðàíеíèя èí-фоðмàцèè об уðовíе сèгíàлов, à тàêже после-довàтельíых ðегèстðов ðàзвеðтêè è умíожеíèя (рис. 2). Последовàтельíые ðегèстðы èмеют до-полíèтельíые служебíые ðàзðяды — угловые для èзмеíеíèя íàпðàвлеíèя пеðеíосà è выход-íые для сèíхðоíèзàцèè фуíêцèоíèðовàíèя схе-мы. Äля возможíостè èспользовàíèя мàтðèцы ПЗС-ЭÓ в êàчестве обычíой ПЗС-мàтðèцы сде-лàí дополíèтельíый вывод.

Нà рис. 3 пðèведеíà зàвèсèмость êоэффèцè-еíтà умíожеíèя EMgain от пðèложеííого íàпðя-жеíèя усèлеíèя R2HV пðè ðегулèðуемом посто-

яííом íàпðяжеíèè смещеíèя подложêè мàтðè-цы VSS = 5 В è постояííом íàпðяжеíèè ðегè-стðà умíожеíèя R2DC = 4 В. Здесь вèдíо, что пðè R2HV < 28 В êоэффèцèеíт EMgain пðàê-тèчесêè ðàвеí 1, à пðè увелèчеíèè R2HV от 28 до 37 В зíàчеíèе EMgain ðезêо возðàстàет, до-стèгàя 1000.

Из пðèведеííых íà рис. 4 дàííых вèдíо, что зíàчеíèе сðедíего темíового выходíого сèгíàлà Uout èсследуемой мàтðèцы ПЗС-ЭÓ (à зíàчèт, è чèсло шумовых элеêтðоíов) лèíейíо зàвèсèт от

Рèс. 3. Зàвèсèмость êоэффèцèеíтà умíожеíèя от пðèложеííого íàпðяжеíèя усèлеíèя для мàтðèцы

ПЗС-ЭÓ фоðмàтà 640×512

VSS = 5 В; R2DC = 4 В

EMgain

1000

100

10

1

0,1 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

R2HV, В

Рèс. 4. Зàвèсèмость сðедíего темíового выходíого сèгíàлà мàтðèцы ПЗС-ЭÓ фоðмàтà 640×512 от вðе-меíè íàêоплеíèя (в отсутствèе освещеííостè) пðè

Т = 20°С

VSS = 5 В

Uout, В–0,090

–0,095

–0,100

–0,105

–0,110 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

tint, с

Рèс. 5. Изобðàжеíèя, получеííые с помощью стàí-дàðтíой êàмеðы Nikon D3100 (а, б) è мàêетà êàме-ðы с мàтðèцей ПЗС-ЭÓ 640×512 с EMgain = 500 пðè Т = 20°С (в, г) пðè эêспозèцèè 0,1 с è ðàзлèчíой осве-

щеííостè объеêтà/мàтðèцы ПЗС-ЭÓ:а, в — 0,3 лê / 0,015 лê; б, г — 0,01 лê / 5∙10–4 лê (В левой чàстè тестовой тàблèцы íàстðойêè èзобðàже-

íèй íàходèтся люêсметð)

à)

б)

г)

в)



ISSN 2225-5818

вðемеíè íàêоплеíèя tint. Пðè обычíой освещеí-íостè (дíем) шумовое íàпðяжеíèе тàêого уðов-íя íе сêàзывàется íà êàчестве получàемого èзо-бðàжеíèя. В случàях же íèзêой è свеðхíèзêой освещеííостè è èспользовàíèè большèх зíàчеíèй êоэффèцèеíтов умíожеíèя (EMgain = 100—1000) темíовые тоêè могут существеííо влèять íà êà-чество получàемых èзобðàжеíèй.

Нà рис. 5 поêàзàíы èзобðàжеíèя, получеííые пðè ðàзлèчíой освещеííостè с помощью стàí-дàðтíой фотоêàмеðы Nikon D3100 è мàêетà êà-меðы с мàтðèцей ПЗС-ЭÓ 640×512 пðè èсполь-зовàíèè в обоèх случàях одíого è того же объ-еêтèвà. Здесь пðодемоíстðèðовàíо существеí-íое ðàзлèчèе в детàлèзàцèè получеííых èзо-бðàжеíèй è возможíость получеíèя более пол-íой èíфоðмàцèè об объеêте íàблюдеíèя в усло-вèях мàлой освещеííостè с помощью êàмеðы с ПЗС-ЭÓ мàтðèцей. Пðè этом следует отметèть, что освещеííость мàтðèцы ПЗС-ЭÓ зàвèсèт от êàчествà пðèмеíяемого объеêтèвà.

Äля демоíстðàцèè возможíостей ðàзðàботàí-íой мàтðèцы ПЗС-ЭÓ íà рис. 6 пðèведеíо èзо-бðàжеíèе стðоеíèя, получеííое пðè ее èспользо-вàíèè íочью пðè освещеííостè оêоло 5∙10–4 лê, êотоðое íевозможíо получèть в тàêèх условè-ях с помощью фотоêàмеðы с обычíой ПЗС èлè ÊМОП-мàтðèцей.

ЗаключениеТàêèм обðàзом, пðоведеííые èсследовà-

íèя эêспеðèмеíтàльíых обðàзцов фотомàтðè-

цы ПЗС-ЭÓ фоðмàтà 640×512 поêàзàлè, что повышеíèе àмплèтуды тàêтовых èмпульсов ðе-гèстðà умíожеíèя выше 27 В пðèводèт ê воз-íèêíовеíèю эффеêтà элеêтðоííого умíожеíèя. Êоэффèцèеíт умíожеíèя ðàзðàботàííых мàтðèц ПЗС-ЭÓ сèльíо зàвèсèт от àмплèтуды тàêто-вых èмпульсов è пðè 37 В его зíàчеíèе пðевы-шàет 1000, что позволяет получàть èзобðàжеíèя в условèях мàлой è свеðхмàлой освещеííостè вплоть до 5∙10–4 лê.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИÊИ

1. Boyle W.S. and Smith G.E. Charge-сoupled semiconductor devices // Bell Systems Techn. J.— 1970.— Vol. 49, iss. 4.— P. 587—593.— http://dx.doi.org/10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x

2. Janesick J.R. Scientific charge-coupled devices.— Bellingham, WA: SPIE Press, 2001.

3. Madan S.K., Bhaumik B., Vasi J.M. Experimental observation of avalanche multiplication in charge-coupled devices // IEEE Transactions on Electron Devices.— 1983.— Vol. 30, iss. 6.— P. 694—699.— http://dx.doi.org/10.1109/T-ED.1983.21191

4. Hynecek J. CCM-A new low-noise charge carrier multiplier suitable for detection of charge in small pixel CCD image sensors // IEEE Trans. Electron Devices.— 1992.— Vol. 39, iss. 8.— P. 1972.—1975.— http://dx.doi.org/10.1109/16.144694

5. Pat. US 20010031517A1. Process for fabrication of split-gate virtual phase charge coupled devices. Jaroslav Hynecek.

6. Pool P.J., Morris D.G., Burt D.J. et al. Application of electron multiplying CCD technology in space instrumentation // Proc. SPIE.— 2005.— Vol. 5902, #59020А.— http://dx.doi.org/10.1117/12.621627

7. O’Grady A.A. comparison of EMCCD, CCD and emerging technologies optimized for low light spectroscopy applications // Proc. SPIE.— 2006.— Vol. 6093, #60930S.— http://dx.doi.org/10.1117/12.644752

8. Zhang W.W., Chen Q. Optimum signal-to-noise ratio performance of electron multiplying charge coupled devices // Int. J. of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering.— 2009.— Vol. 3, N6.— P. 1285—1289.— International Science Index: scholar.waset.org/1999.5/2103

9. Daigle O., Djazovski O., Laurin D. et al. Characterization results of EMCCDs for extreme low-light imaging // Proc. SPIE.— 2012.— Vol. 8453, # 845303.— http://dx.doi.org/10.1117/12.926385

10. Mackay C., Weller K., Suess F. Photon counting EMCCDs: New opportunities for high time resolution astrophysics // Proc. SPIE.— 2012.— Vol. 8453, # 845302.— http://dx.doi.org/10.1117/12.924642

11. Rauscher B.J., Bolcar M.R., Clampin M. et al. ATLAST detector needs for direct spectroscopic biosignature characterization in the visible and near-IR // Proc. SPIE.— 2015.— Vol. 9602, # 96020D.— http://dx.doi.org/10.1117/12.2186554

12. Hynecek J. Impactron — a new solid state image intensifier // IEEE Transactions on Electron Devices.— 2001.— Vol. 48, iss. 10.— P. 2238–2241.— http://dx.doi.org/10.1109/16.954460.

Даòа посòуплеíия рукописи в редакцию 03.01 2017 г.

Рèс. 6. Изобðàжеíèе, получеííое с помощью ðàзðà-ботàííой мàтðèцы ПЗС-ЭÓ íочью пðè освещеííо-

стè оêоло 5∙10–4 лê



ISSN 2225-5818

В. П. РЕВА, С. В. КОРІНЕЦЬ, О. Г. ГОЛЄНКОВ, С. В. САПОН, А. М. ТОРЧИНСЬКИЙ, В. В. ЗАБУДСЬКИЙ, Ф. Ф. СИЗОВ

Óêðàїíà, м. Êèїв, Іíстèтут фізèêè íàпівпðовідíèêів ім. В. Є. Лàшêàðьовà НАН ÓêðàїíèE-mail: [email protected]

ПЗЗ-ФОТОМАТРИЦІ З ЕЛЕÊТРОННИМ МНОЖЕННЯМ

Описаíо приíципи робоòи фоòомаòриці видимого випроміíюваííя і ближíього іíфрачервоíого діапазоíу, спроекòоваíих íа осíові приладів із зарядíим зв'язком з елекòроííим мíожеííям (ПЗЗ-ЕМ), òа об-говореíо архіòекòуру побудови òаких маòриць. Наведеíо короòкий опис òехíології вигоòовлеííя фоòомаòриці ПЗЗ-ЕМ, а òакож деякі парамеòри спроекòоваíих і вигоòовлеíих експеримеíòальíих зразків фоòомаòриці формаòу 640×512.

Ключові слова: ПЗЗ-фоòомаòриці, елекòроííе мíожеííя, ближíій ІЧ-діапазоí, видиме випроміíюваííя.

V. P. REVA, , S. V. KORINETS, A. G. GOLENKOV, S. V. SAPON, A. M. TORCHINSKY,

V. V. ZABUDSKY, F. F. SIZOV

Ukraine, Kiev, Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics NAS of UkraineE-mail: [email protected]

CCD PHOTOMATRIXES WITH ELECTRON MULTIPLICATION

Electron multiplication charge coupled devices (EMCCD) technology is an innovation first introduced slightly more than a decade ago. The EMCCD is an image sensor that is capable of detecting an isolated photon without an image intensifier. It is achieved by electron multiplication circuit that is built in the chip of ordinary CCD.

Cameras with EMCCD arrays overcome limitations of getting high sensitivity with high frame rate. Traditional CCD cameras can be highly sensitive in the visible part of spectrum but at the expense of low frame rate. EMCCD can operate at very faint illumination conditions both in visible and near infrared regions.

The paper presents a short technological description of EMCCD 640×512 arrays manufacturing and some parameters of the arrays that were designed and manufactured. It was shown that multiplication coefficient depends much on applied amplification voltage and can achieve 1000. Also it is shown that images can be obtained at low illumination conditions (illumination at EMCCD is near 5∙10–4 lx).

Keywords: CCD photomatrix, electronic multiplication, near infrared, visible light.

DOI: 10.15222/TKEA2017.1-2.33UDC 621.383.72

REFERENCES

1. Boyle W.S., Smith G.E. Charge-сoupled semiconductor devices. Bell Systems Techn. J., 1970, vol. 49, iss. 4, pp. 587-593. http://dx.doi.org/10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x

2. Janesick J.R. Scientific charge-coupled devices. Bellingham, WA, SPIE Press, 2001, 907 p.

3. Madan S.K., Bhaumik B., Vasi J.M. Experimental observation of avalanche multiplication in charge-coupled devices. IEEE Transactions on Electron Devices, 1983, vol. 30, iss. 6, pp. 694–699. http://dx.doi.org/10.1109/T-ED.1983.21191

4. Hynecek J. CCM-A new low-noise charge carrier multi-plier suitable for detection of charge in small pixel CCD image sensors. IEEE Trans. Electron Devices, 1992, vol. 39, iss. 8, pp. 1972–1975. http://dx.doi.org/10.1109/16.144694

5. Pat. US 20010031517A1. Process for fabrication of split-gate virtual phase charge coupled devices. Jaroslav Hynecek.

6. Pool P.J., Morris D.G., Burt D.J., Bell R., Holland A.D. et al. Application of electron multiplying CCD technol-ogy in space instrumentation. Proc. SPIE, 2005, vol. 5902, #59020А. http://dx.doi.org/10.1117/12.621627

7. O’Grady A.A. comparison of EMCCD, CCD and emerging technologies optimized for low light spectroscopy

applications. Proc. SPIE, 2006, vol. 6093, #60930S. http://dx.doi.org/10.1117/12.644752

8. Zhang W.W., Chen Q. Optimum signal-to-noise ratio performance of electron multiplying charge coupled devices. International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering, 2009, vol. 3, no.6, pp. 1285-1289. International Science Index: scholar.waset.org/1999.5/2103

9. Daigle O., Djazovski O., Laurin D., Doyon R., Artigau Е. Characterization results of EMCCDs for extreme low-light imaging. Proc. SPIE, 2012, vol. 8453, # 845303. http://dx.doi.org/10.1117/12.926385

10. Mackay C., Weller K., Suess F. Photon counting EMCCDs: New opportunities for high time resolution astro-physics. Proc. SPIE, 2012, vol. 8453, # 845302. http://dx.doi.org/10.1117/12.924642

11. Rauscher B.J., Bolcar M.R., Clampin M., Domagal-Goldman S.D., McElwain M.W. et al. ATLAST detector needs for direct spectroscopic biosignature characterization in the visible and near-IR. Proc. SPIE, 2015, vol. 9602, # 96020D. http://dx.doi.org/10.1117/12.2186554

12. Hynecek J. Impactron - a new solid state image intensi-fier, IEEE Transactions on Electron Devices, 2001, vol. 48, iss. 10, pp. 2238–2241. http://dx.doi.org/10.1109/16.954460

Documents

ПЗС-ФОТОМАТРИЦЫ С ЭЛЕÊТРОННЫМ ÓМНОЖЕНИЕМ · 2020. 6. 26. · Hynecek J. CCM-A new low-noise charge carrier multiplier suitable for detection of