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1. Introducción
A temperaturas por encima del cero absoluto, todos los cuerpos emiten radiación cuya energía está distribuida de acuerdo con la ley de Planck. Basados en este principio, los detectores de radiación infrarroja son herramientas muy útiles para multitud de aplicaciones que van desde la espectroscopia de luz estelar hasta el análisis de gases o la detección de incendios incipientes. El infrarrojo se extiende desde longitudes de onda de 0.8 μm (NIR) hasta 100 μm (VLWIR). De especial interés resultan determinadas bandas del espectro infrarrojo, o ventanas atmosféricas tales como la denominada MWIR (3-5 μm) o LWIR (8-12 μm), donde la transmisión de la radiación IR es alta debido a la ausencia de bandas de absorción de los gases presentes en la atmósfera tales como el vapor de agua o el CO2. La tecnología de la detección infrarroja ha ido evolucionando a lo largo de los últimos veinte años desde sistemas militares muy caros y de muy altas prestaciones, hasta llegar a ser una tecnología asequible y de amplio uso en gran variedad de aplicaciones tanto militares como civiles. En el área de los detectores los grandes avances se han producido fundamentalmente en dos líneas bien definidas: Conseguir matrices de plano focal (FPAs, Focal Plane Arrays) de gran formato (Mpixels) para detectores de altas prestaciones y elevar la temperatura de funcionamiento de los detectores con el objetivo último de obtener detectores de infrarrojo no refrigerados para aplicaciones en las que se necesitan grandes cantidades de unidades a bajo coste (industria del automóvil, control de procesos, etc.).
Dentro de esta última línea de avance han aparecido con mucha fuerza los detectores térmicos no refrigerados. Los más populares son los microbolómetros de óxido de vanadio o de silicio amorfo. En la actualidad se pueden encontrar en el mercado cámaras térmicas no refrigeradas con detectores de este tipo de hasta 640x420 pixeles. Sin embargo, su precio es todavía elevado y debido a la compleja tecnología utilizada no se prevé que a corto plazo se pueda reducir de una manera considerable. Teniendo en cuenta que las últimas tendencias del mercado indican que el uso extendido de este tipo de dispositivos exigirá solamente matrices detectoras de baja densidad (hasta 64x64 elementos) a precios por debajo de los 100 € incluyendo su electrónica de lectura, aparece en el panorama un nuevo actor capaz de conseguir estas características sin demasiados problemas: el Seleniuro de Plomo policristalino.
El seleniuro de plomo policristalino, PbSe, se usa desde hace tiempo para fabricar detectores de infrarrojo no refrigerados sensibles en la zona del espectro infrarrojo correspondiente a la ventana atmosférica existente entre las 3 y las 5 micras. Este material es único para aplicaciones en las que alta velocidad de respuesta, robustez y bajo coste son factores fundamentales. El Centro de Investigación y Desarrollo de la Armada, CIDA, ha desarrollado una tecnología propia e innovadora para fabricar matrices de detectores de seleniuro de plomo policristalino. Esta tecnología, que utiliza técnicas clásicas en microelectrónica, presenta muchas ventajas si se compara con la basada en el uso de selenourea y su depósito por vía química 1, desarrollada en EEUU durante los años 60, y que es la comúnmente empleada en los dispositivos comerciales. Aunque existen ofertas en el mercado de detectores individuales o de matrices lineales de este material, no hay constancia que exista ningún tipo de matriz bidimensional (2D) o de plano focal (FPA, Focal Plane Array).
2. Ventajas del método de procesado por vía física. Avances en el procesado de matrices 2D.
Como se ha comentado anteriormente, el PbSe policristalino estándar es depositado químicamente de acuerdo con una tecnología desarrollada en EEUU hace más de 30 años. La tecnología desarrollada por el CIDA está basada en la deposición mediante evaporación térmica en vacío del PbSe seguida de un proceso de sensibilización específico a altas temperaturas. Aunque al principio los resultados no fueron demasiado prometedores, tras largos años de investigación se ha conseguido un método de procesado eficiente cuyos resultados son comparables al método estándar. La ventaja del nuevo método reside en que, al emplear técnicas clásicas de microelectrónica, permite procesar estructuras mucho más complejas sobre silicio. Fruto de los trabajos realizados hasta la fecha, ha sido el conseguir procesar por primera vez matrices 2D de PbSe policristalino, no refrigeradas y sensibles en la región MWIR con buenas prestaciones [2]. Además de las matrices 2D, la nueva tecnología del PbSe permite procesar detectores con su respuesta espectral modificada según diseño [3], lo que le añade una nueva ventaja a la hora de realizar dispositivos multicolor. Por último hay que decir que se está trabajando en la viabilidad de la integración monolítica del detector con su electrónica de lectura CMOS. Los primeros resultados son prometedores y si se alcanza el objetivo final de integrar monolíticamente el detector con un circuito integrado de electrónica de lectura (ROIC, Read Out Integrated Circuit) estaremos, sin duda, ante una pequeña “revolución” en el mundo de los detectores no refrigerados.
En la figura 2 se muestra una sección transversal de la estructura de una matriz de 16 x 16 elementos, direccionada x-y, cuyas características principales son: Dλ* ~ 3x109 cm.Hz.W-1 a temperatura ambiente, tamaño de píxel: 575 x 550 μm x μm, y factor de llenado del 77%
Figura 1: Composición fotográfica SEM mostrando la sección transversal de un dispositivo
2. Avances en el acondicionamiento y tratamiento de la señal. Dispositivos monolíticos.
El PbSe policristalino es fotoconductor y por lo tanto presenta la típica curva de ruido-frecuencia en la que a bajas frecuencias domina el ruido 1/f y el de generación-recombinación, y a altas frecuencias, domina el ruido Johnson. El método mejor y más usado para minimizar los efectos del ruido es la modulación mecánica de la luz incidente. La señal más alta que se puede conseguir presenta la limitación de trabajar en la región constante de la curva señal-frecuencia. El PbSe policristalino es un detector fotónico e inherentemente muy rápido. A diferencia de los detectores no refrigerados de tipo térmico, es normal tener curvas señal-frecuencia con respuesta plana hasta varias decenas de kHz. Sin embargo, la frecuencia de corte depende mucho de la resistencia y capacidad del detector. El PbSe tiene una constante dieléctrica alta y como consecuencia de ello, los efectos capacitivos pueden ser determinantes cuando se necesita una respuesta muy rápida. Para optimizar sus características a altas frecuencias se requiere reducir notablemente la resistencia, pero ello se encuentra muy limitado por la característica policristalina del material. El poder actuar sobre el diseño del detector, su tamaño y el material del substrato es una capacidad muy importante cuando se necesitan tiempos de respuesta muy cortos.
Por razones de falta de espacio, robustez, reducción de coste y complejidad, la modulación mecánica de la luz es siempre un inconveniente. Cuando la aplicación no es muy exigente, se puede aceptar el reducir la sensibilidad a cambio de la simplicidad y la robustez, evitando el uso de la modulación mecánica de la luz. En este caso es necesario sustituir el modulador mecánico por circuitería electrónica. Con un diseño electrónico y algoritmos de acondicionamiento de la señal apropiados, es posible reducir las pérdidas de señal a un mínimo. En este sentido, se ha desarrollado en el CIDA una pequeña cámara sin elementos móviles, capaz de leer matrices de PbSe (hasta 16x16 elementos) con muy buenos resultados. El diseño electrónico se basa en un procesador de señal (DSP) que permite probar algoritmos avanzados de acondicionamiento de la señal y de procesado de una forma amigable.
Como diferentes aplicaciones necesitan diferentes soluciones, esta cámara se ha diseñado como herramienta de prueba para los detectores diseñados y procesados en el laboratorio. La figura 2 muestra dicho sistema de fotodetección infrarroja compuesto por una matriz de PbSe de 4x16 elementos y la electrónica mencionada. El sistema incorpora óptica de silicio transparente a la radiación IR en la zona de 3 a 5 micras (no presentada en la figura).
Figura 2. Sistema de fotodetección infrarroja desarrollado en el CIDA
Como ya se ha dicho anteriormente la matriz direccionada x-y es una solución adoptada en el curso normal de avance de nuestra tecnología de PbSe. Las matrices así procesadas cubren los requerimientos demandados por múltiples aplicaciones. Sin embargo, hay otras aplicaciones en las que se requieren dispositivos más complejos y de mayor formato. En estos casos es necesario procesar dispositivos híbridos o monolíticos. En ambos casos nuestra tecnología necesita una profunda revisión para conseguir su compatibilidad con las tecnologías de hibridación o de integración monolítica con el ROIC. Después de evaluar esfuerzos, soluciones técnicas y riesgos, se ha decidido dirigir el trabajo al desarrollo de dispositivos monolíticos. En este camino se han identificado dos líneas principales de estudio y pruebas: Compatibilidad de la electrónica estándar CMOS con los tratamientos térmicos y compatibilidad de la tecnología estándar CMOS que está basada en aluminio, con la tecnología del PbSe basada en oro.
Para comprobar la compatibilidad de la electrónica CMOS con los tratamientos térmicos, se diseñó una circuitería de funciones básicas y se procesaron varias obleas de test para ser sometidas a nuestro proceso de fabricación del PbSe. En la figura 3 se muestra una de estas obleas. Los primeros resultados son muy prometedores pero queda aún trabajo por hacer para conseguir un circuito de lectura en CMOS totalmente compatible. La segunda línea es, bajo un punto de vista tecnológico, menos crítica pero no menos importante. Es necesario asegurar que se puede resolver el problema de la difusión metálica Al-Au sin afectar al resto del procesado. En estos momentos, se ha alcanzado un buen compromiso entre las barreras antidifusión y los tratamientos térmicos con lo que el problema de la compatibilidad Al-Au para el procesado de los dispositivos monolíticos ha quedado resuelto.
Figura 3. Oblea de test CMOS después del procesado PbSe.
3. Progresos en la integración monolítica con discriminación espectral
La siguiente generación de sensores integrará óptica avanzada, material sensible, electrónica y algoritmos de acondicionamiento y procesado de señal. Sus características se alcanzarán con menores riesgos tecnológicos y con una estructura integrada que permitirá menores tamaños y mayor fiabilidad. La tecnología de los futuros sensores estará basada más en el uso de arquitecturas inteligentes que en tratar de mejorar sus características a base de aumentar el número de detectores por milímetro cuadrado. Con este fin se ha decidido explorar nuevas posibilidades para nuestra tecnología de PbSe. En este sentido, la discriminación espectral integrada es una de las características más deseadas y demandadas para añadir a las capacidades del nuevo detector. La respuesta natural del PbSe se puede modificar a voluntad si se es capaz de procesar detectores directamente sobre filtros interferenciales.
El procesado de este tipo de dispositivos constituye un gran reto tecnológico. Por un lado, el filtro debe soportar todos los tratamientos térmicos necesarios para el procesado del PbSe [3], los procesos fotolitográficos y los procesos de ataque y por otro lado, es necesario modificar y ajustar los tratamientos térmicos para minimizar los efectos debidos a los desajustes de los coeficientes de dilatación térmica de las diferentes capas que constituyen el filtro (SiO y Ge) y el PbSe [4,5].
La tecnología desarrollada prepara el terreno para procesar matrices de plano focal (FPAs) no refrigeradas y multicolor en la zona espectral del infrarrojo medio. Esta tecnología permitirá, por ejemplo, la fabricación de un sensor multicanal reducido y compacto capaz de medir simultáneamente diferentes concentraciones de gases o fabricar detectores multibanda para reducir tasas de falsas alarmas en los buscadores o “seekers”.
4. Resumen
Como resultado de una tecnología innovadora para el procesado de detectores de PbSe policristalino desarrollada en el CIDA, ahora es posible procesar matrices de pequeño formato con buenas características. Con el fin de avanzar hacia futuras aplicaciones, se ha diseñado y fabricado un sistema para estudiar y desarrollar algoritmos de procesado de señal. Para conseguir fabricar matrices de mayor formato, el procesado monolítico es en la actualidad una de las principales actividades del CIDA. Los resultados iniciales son muy prometedores y está previsto finalizar los estudios de viabilidad antes del final del 2005. Finalmente, también se ha demostrado la capacidad de procesar detectores de infrarrojo no refrigerados en un dispositivo monolítico con selectividad espectral incorporada.
5. Referencias
[1] “Method of production of lead selenide photodetector cells” B. N. McLean, U.S. Patent 2,997,409 Aug.22, 1961
[2] “Polycrystalline PbSe x-y addressed uncooled FPAs” M. C. Torquemada, V. Villamayor, M. T. Rodrigo, G. Vergara, F. J. Sánchez, R. Almazán, M. Verdú, P. Rodríguez, L. J. Gómez, M.T. Montojo, Proc. SPIE 5074, 592 (2003).
[3] “Role of halogens in the mechanism of sensitization of uncooled PbSe infrared photodetectors” M. C. Torquemada, M. T. Rodrigo, G. Vergara, F. J. Sánchez, R. Almazán, M. Verdú, P. Rodríguez, V. Villamayor, L. J. Gómez, M. T. Montojo y A. Muñoz, J. Appl. Phys. 93, 1778 (2003).
[4] “Monolithic integration of spectrally selective uncooled lead selenide detectors for low cost applications” J. Diezhandino, G. Vergara, G. Pérez, I. Génova, M. T. Rodrigo, F. J. Sánchez, M. C. Torquemada, V. Villamayor, J. Plaza, I. Catalán, R. Almazán, M. Verdú, P. Rodríguez, L. J. Gómez and M. T. Montojo, Appl. Phys. Lett. 83, 2751 (2003).
[5] “Process technology to integrate polycrystalline uncooled PbSe infrared detectors on interference filters” M. T. Rodrigo, J. Diezhandino, G. Vergara, G. Pérez, M. C. Torquemada, F. J. Sánchez, V. Villamayor, R. Almazán, M. Verdú, I. Génova, P. Rodríguez, L. J. Gómez, I. Catalán, J. Plaza, and M. T. Montojo. Proc. SPIE 5251, 97 (2003).
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