Mark S. Robbins*, Pritesh Mistry,
Paul R. Jorden
e2v technologies Ltd, 106
Waterhouse Lane, Chelmsford,
Essex CM1 2QU, UK
תמצית
e2v technologies פיתחה התקני “Hi-Rho” המיוצרים על סיליקון בעל התנגדות סגולית (resistivity) גבוהה מאוד. נכללו בהם תכונות תכנון מיוחדות המאפשרות לחבר פוטנציאלים של שער-למצע גבוהים ביותר ללא דליפת זרם משמעותית בין חיבורי המצע הקדמי והגבי. הגישה שאומצה מאפשרת את קיום כללי התכנון הרגילים עבור מעגלי מגברי מוצא בעלי רעש נמוך. לכן ניתן לייצר התקנים לרעש נמוך רגישים מאוד לאורכי-גל אדום וקרוב- לאדום. מאמר זה מדווח על האפיון המפורט של החיישן בעל המבנה הגדול “Hi-Rho” המיועד ליישומי אסטרונומיה ומרחיב את הנתונים אשר דווחו בעבר כדי לכלול הערכה מפורטת של ה-CTE, רזולוציה מרחבית, אות חשוך (dark signal) ואיכות קוסמטית. גם השפעת החומר הבסיסי נחקרה עם התקנים המיוצרים על סיליקון משני יצרנים שונים. מוצגות גם מדידות של היעילות הקוונטית מהתקנים המשתמשים בתהליך ציפוי מונע השתקפות אשר פותח לאחרונה.
1.מבוא
CCDs מדעיים מיוצרים בד”כ על סיליקון אפיטקסיאלי בעל עובי השכבה האפיטקסיאלית בסדר גודל של 20µm. עבור התקנים בעלי גב מוצר המצע מוצא, ונשאר עובי פעיל בין 10µm ו-20µm. לאחר שהמשטח הגבי מטופל למזעור ההשתקפות, וכדי לעודד איסוף מטען יעיל, ניתן להשיג יעילות קוונטית כמעט אידיאלית. אולם דבר זה מושג רק עבור אורכי-גל פוטוניים מסביב לתחום הנראה. באורכי-גל ארוכים יותר אורך הבליעה בסיליקון גדל, ומגביל את מנת הפוטונים הנספגים.
אם דרושה הדמיה בעלת רגישות גבוהה באורכי-גל ארוכים אלה, ניתן להגדיל את עובי הסיליקון. אם דרוש לשמור על רזולוציה מרחבית טובה יש להפעיל שדה חשמלי אשר יהיה נוכח בסיליקון הפעיל בעומק הגדול ביותר האפשרי. דבר זה מושג לרוב על-ידי שימוש בסיליקון פעיל בעל התנגדות סגולית גבוהה יותר עבור ההתקנים העבים יותר, היוצר אזור דלדול (depletion) גדול יותר. דבר זה אפשר ייצור התקנים בעלי עובי פעיל של עד 50µm תוך שמירה על רזולוציה טובה בשימוש ברמות הממתח והשעון הרגילות. עובי זה הוא המרבי המעשי עבור סיליקון אפיטקסיאלי המשמש לרוב בייצור CCDs איכותיים.
אולם, לעתים דרושה יותר הגדלה בעובי, במיוחד עבור הדמיית פוטונים בעלי אנרגיה קרובה למרווח תחום הסיליקון, שם אורך הבליעה גדל במהירות עם אורך-הגל. השימוש בסיליקון גולמי במקום סיליקון אפיטקסיאלי מאפשר ייצור של התקנים אף עבים יותר. דרוש גם חומר בעל התנגדות סגולית גבוהה יותר, אך האתגר נשאר כיצד ליצור שדה מספיק גדול בכל העובי של ההתקן כדי לשמור על רזולוציה עבור היישומים התובעניים ביותר. e2v technologies פיתחה התקני “Hi-Rho” המיוצרים על סיליקון בעל התנגדות סגולית גבוהה מאוד. תכונות תכנון מיוחדות נכללו אשר מאפשרות לחבר פוטנציאלים שער-למצע גבוהים ללא זליגה משמעותית בין חיבורי המצע בחזית ובגב. אם כן ניתן להשיג דילדול-יתר וזמני סחיפה קצרים של אלקטרוני האות המספקים רזולוציה מרחבית מצוינת. הגישה שננקטה מאפשרת למלא אחר כללי התכנון המקובלים עבור מעגלי מוצא בעלי רעש נמוך, ובכך לייצר התקנים מאוד רגישים לאורכי-גל אדום וקרוב-לאדום. מאמר זה מדווח על אפיון חיישן “Hi-Rho” גדול המיועד ליישומי אסטרונומיה, בשם CCD261, ומרחיב את הנתונים אשר דווחו קודם לכן 1.
איור 2. תמונות חריץ ששימשו להפקת פונקציית ההרחבה קו/נקודה עבור התקנים המיוצרים בחומר 2. ב-a) ממתח מצע הגב מכוון ל- 100- וולט וב-b) הוא 0 וולט.
2. ההתקן CCD261 של e2v.
סדרת חיישני התמונה CCD261 מתוכננת עבור הדמיה באסטרונומיה ובמדעים, הדורשת במיוחד רגישות יוצאת מן הכלל לאורך-הגל האדום. הם מתוכננים לייצור מסיליקון גולמי בעל התנגדות סגולית גבוהה, בעובי פעיל של מעל 100 µm. הם מדוללים בגב ליעילות קוונטית מרבית ומשולבים עם ציפויים נגד-השתקפות בעלי יעילות גבוהה. ניתן לייצר התקנים בגדלים שונים וההתקן הזמין הראשון הוא ה-CCD261-84. ההתקן תוכנן להשלים את חיישן האסטרונומיה התקני CCD44-82 הנפוץ, בעל מבנה של 2048 על 4096, 15µm פיקסל במארז מדויק. ל-CCD261-84 תכנון מבנה ומארז זהה ופעולה דומה מאוד מלבד הדרישה למתח ממתח גבוה גבי (BSS) עבור דלדול מלא. איור 1 מציג את ארכיטקטורת ההתקן.
תכונות עיקריות כוללות מתח ממתח גב המצע עד ל70- וולט כדי לוודא דלדול מלא של הסיליקון העבה; אזורי שעון הדמיה ואחסון נפרדים (לשם העברת מסגרות אם דרוש); שני מוצאים בעלי רעש נמוך ביותר; פעולה עד 1 מגה-הרץ קצב תצוגה; תכנון מארז 4- צדדי לשימוש כמוזאיק; ביצועים גבוהים עבור הדמיה מדעית ותכנון עבור פעולה בטמפרטורות קריאוגניות (-110oC נומינלי). הביצועים דומים לאלה המושגים על-ידי סוגי CCD תקניים (לדוגמה CCD44-82) אך עם תגובה משופרת משמעותית לאדום. מבני התקן אחרים מתוכננים כוללים את ההתקן “Hi-Rho” CCD261-88 4k by4k.
3. התקנה ניסיונית
- איור 4. סטיית התקן של ה-PSFs הכוללים ושל הפיזור עבור שני סוגי החומרים.
התקני ה-CCD261, המותקנים במארזים המדויקים שלהם, אופיינו מחוץ למתקן הייצור הראשי בעל האולם הנקי. מערכת בדיקה גמישה המשתמשת בסידור לוח ראש/לוח אם שימשה למטרה זו. דבר זה מאפשר לכל סוג של התקן בכל מארז שהוא לפעול אף ללא מיטוב עבור ביצועי הרעש. ההתקנים מותקנים בתוך תא ריק וניתנים לקירור עד -120oC על-ידי CryoTiger. הממתחים והשעונים מסופקים תוך שימוש באלקטרוניקה מיוחדת אשר פותחה בחברה, המספקת את הגמישות הדרושה. התקני ה-CCD261 עבור מחקר זה הופעלו בקצב פיקסלים של 500 קילו-הרץ דרך מעגל מוצא אחד או שניים. ניתן לכלול מקור קרני X Fe55 בתוך תא הריק לשם ניתוח ה-CTE. ניתן היה להשתמש במבוא אופטי, המאפשר דיאגרמת בדיקה מוקטנת להיות ממוקדת על ההתקן, עם מקורות אור להט ו-LED זמינים. היעילות הקוונטית נמדדה בעזרת מערכת בדיקה נפרדת העושה שימוש במונו-כרומטור בתור מקור אור כאשר ההתקן מופעל כפוטו-דיודה ממותגת.
4. תוצאות הבדיקה
4.1 דלדול ורזולוציה
ההתנגדות הסגולית של המצע קובעת את הממתחים הדרושים לשם דלדול מלא. ההתקנים המאופיינים כאן ייוצרו על חומר מסוג p משני יצרנים שונים. החומרים כונו חומר 1 וחומר 2. דרישות הרכישה עבור חומר 1 היו התנגדות סגולית מעל 3kcm ולחומר 2 הייתה התנגדות סגולית גדולה מ-5kcm. עבור שני סוגי החומרים עובי הדלדול נמדד כ-150±5 µm, בעזרת טכניקות אינטרפרנציה אופטית תקניות.
הרזולוציה המרחבית של החיישנים נקבעה תוך שימוש בטכניקה המשמשת כרגיל בייצור אצל e2v . חריץ צר מוקד על ההתקן והוצב בזווית קטנה לעומת כיוון העמודות. ההיענות של כל שורה מייצגת את הדגימה של פונקציית פיזור הקו. מצב החריץ כפונקציה של מספר השורה הושג על-ידי התאמה של שיטת הריבועים הפחותים. היא שימשה כדי לשלב את היענות מהשורות על-ידי כוונון המצב המרכזי של החריץ עבור כל שורה. כך ניתן להשיג דגימה תת-פיקסלית של פונקציית פיזור הקו. דבר זה שווה-ערך לפונקציית פיזור הנקודה (point spread function – PSF) בתנאי שה-PSF שווה בכיוון השורות והעמודות.
תמונת חריץ המתקבלת מההתקן המיוצר בחומר 2 נתונה באיור 2. כאן החריץ הואר על-ידי אור בעל אורך-גל של 450 nm. אורך הניחות עבור פוטונים באורך-גל זה הפועלים בתוך הסיליקון הוא רק בערך מחצית מיקרון, ומכאן נובע שרוב האות יופק קרוב למשטח המבוא של ההתקן. איור 2b מראה תמונת חריץ מורחבת עבור ההתקן בממתח בפוטנציאל מצע גב אפס בהשוואה לזה של איור 2a שם הממתח של ההתקן היה בפוטנציאל מצע גב של -100 וולט. פונקציות פיזור הנקודה המופקות עבור שני מקרים אלה נתונות באיור 3. אלה הן פונקציות פיזור נקודה כלליות וכוללות את ההיענות בשל הדגימה הדיסקרטית של ההתקן בצירוף ההיענות מההרחבה בשל פיזור המטען הצידי בתוך ההתקן. הוא גם מחובר עם PSF לא-אידיאלי של מערכת המדידה, הכוללת תופעות אופטיות ושל רעידות. מרכיב זה נקבע על-ידי הפקת פונקציית פיזור הנקודה מהתקנים המוארים בחזית. במקרה זה כל האות המופק אופטית נאסף קרוב לערוץ הקבור ולכן ההרחבה בשל הפיזור אמורה להיות מזערית. המדידות על התקנים מוארים מהחזית נותנות PSF מערכת בעל פילוג גאוסי עם סטיית תקן של כ- 4µm. סטיית התקן של ה- PSF הכולל ו-PSF הפיזור מההתקנים שייוצרו משני חומרים שונים מוצגת באיור 4.
ממדידות ה-PSF ניתן לראות שההתקן המיוצר מחומר 1 מדלדל בממתח מצע גבי של כ- -40 וולט (עם שני שלבים מוחזקים ב- +12 וולט). רוחב ה-PSF כפונקציה ל ממתח המצע הגבי כאשר ההתקן איננו מדולדל במלואו יכול לשמש לחישוב ההתנגדות הסגולית של החומר כפי שנדון בסימוכין [2]. כאן הוצג שסטיית התקן של ה-PSF בשל הפיזור בסיליקון הבלתי-מדולדל היא פשוט 0.8616 מוכפל בעומק הסיליקון הבלתי-מדולדל. על-ידי שימוש בקשר זה, ובידע על הפרמטרים של שתילת הערוץ הקבור ומתחי הסף דרך מדידות בטרנזיסטורי-בדיקה, מתאפשר חישוב רוחב ה-PSF עבור התנגדות סגולית של חומר נתון. רוחב ה-PSF הנמדד תואם התנגדות סגולית של 3.1kcm, כמתואר באיור 4.
נראה שההתקן עם חומר2 מדלדל במלואו בממתח מצע גבי מעט מתחת ל-0 וולט. דבר זה מרמז שההתנגדות הסגולית של החומר היא כ-9kcm, משמעותית מעל המינימום של 5kcm המוכתב.
איור 9. ספקטרום קרני-x של Fe55 המופק מ-CCD261 המיוצר מחומר 1 עם ממתח מצע גבי של 70- וולט וטמפרטורה של -1200C
חישובים אלה עשויים להוות קירוב רק כאשר אחד השלבים מוזן ב-0 וולט במהלך השילוב. דבר זה ישפיע על עומק הדלדול הנובע משני השלבים האחרים, תוך הקטנת העומק וגרימת תת-הערכה של ההתנגדות הסגולית של החומר. כמו כן לא הובאו בחשבון אזורי בידוד העמודות להם תהיה השפעה דומה.
ההפחתה ברוחב ה-PSF בממתחי מצע גבי נמוכים (יותר שליליים), כאשר ההתקן אמור להיות ב”דלדול-יתר”, נגרמת על-ידי הפיזור הצידי המוקטן בשל מהירות הסחיפה המוגברת של אלקטרוני האות. עבור שני סוגי החומרים, סטיית התקן של ה-PSF בשל פיזור צידי כאשר מזינים ממתח מצע גבי של -100 וולט הוא כ-5µm.
השפעת הסיליקון הבלתי-מדולדל על ביצועי ההדמיה של ההתקן ניתנת לראות בבירור על-ידי הסתכלות על הפעולות ההדדיות של החלקיקים הקוסמיים. ה-CCD261 הוא התקן בעל שטח גדול ולכן ניתן לגלות פעולות הדדיות של חלקיקים קוסמיים אפילו בזמני שילוב די קצרים. מאחר שההתקנים מיוצרים על סיליקון עבה, רבות מהפעולות ההדדיות משאירות עקבות חלקיקי מטען החוצים פיקסלים אחדים. ניתוח של הפעולות ההדדיות של החלקיקים הקוסמיים יכול לשמש כמדידה נוספת של עובי ההתקן וגם כאומדן של עומק הדלדול ולכן ההתנגדות הסגולית.
המאפיינים של עקבות המטען שונים, אך אלה היוצרים עקבות ישרות הן המעניינות ביותר. עבור שילוב של 5 דקות נצפות כ-250 פעולות הדדיות של חלקיקים קוסמיים כאשר מתוכן 5% הן שימושיות לשם ניתוח-המשך. אחדים מאוכלוסיית הפעולות ההדדיות של חלקיקים קוסמיים נובעים מחלקיקים טעונים בעלי אנרגיה גבוהה, המכונים מייננים מזערית. חלקיקים המייננים מזערית משקיעים אנרגיה ממוצעת של 1.66 MeVg-1cm2 לאורך העקבה שלהם והפעולה ההדדית ניתנת לצפייה כעקבות אותות בעלות צפיפות אות של כ-106 אלקטרונים למיקרון. כאשר התקן מדולדל במלואו, העקבה היא ישרה ומתרחבת קלות בשעה שהעקבה מתמשכת מצד האלקטרודה של ההתקן, כמתואר באיור 5a. ניתן לאמוד את עובי ההתקן מתוך גיאומטריה פשוטה לאחר שידועים הכמות הכוללת של מטען בעקבה ומספר הפיקסלים החצויים על-ידי החלקיק. תוך שימוש בטכניקה זו עובי ההתקן נמדד כ-150 ±20µm, נתון עקבי עם שיטת המדידה התקנית. אם ההתקן איננו מדולדל במלואו חלק העקבה הגולש לתוך הסיליקון הבלתי-מדולדל מתרחב משמעותית. דבר זה מוצג באיור 5b. היחס של המטען בקטע המוגדר היטב של העקבה אל הכמות הכוללת של מטען בעקבה נותן את האחוז של עומק הסיליקון הכולל אשר דולדל. זה, מוכפל בעובי הסיליקון, נותן את עומק הדלדול. גרף של עומק הדלדול היעיל המוערך כנגד ממתח המצע הגבי עבור חומר 1 נתון באיור 6. המדידות בוצעו עם שניים מתוך שלושת שעוני תמונת השלב מוחזקים ב-12 וולט במהלך השילוב, והמחזיק את השלב השלישי ב-0 וולט. כן מוצג באיור עומק הדלדול המחושב עבור פוטנציאל שער של 12 וולט והתנגדות סגולית של החומר של 3.1.
טכניקה זו להערכת עומק הדלדול וההתנגדות הסגולית של החומר היא פשוטה ועומקי הדלדול שנמדדו תואמים את אלה שהתקבלו ממדידות PSF. אולם, עשויות להיווצר אי-ודאויות שיטתיות משמעותיות וסביר שעומק הדלדול מוערך יתר על המידה בשל האות בזנב המפוזר שנאבד בתוך הרעש, ויעילות איסוף המטענים הלא-אידיאלית מהסיליקון הבלתי-מדולדל.
ההתקנים המיוצרים מחומר 2 היו כמעט במלואם מדולדלים בפוטנציאל מצע גבי של 0 וולט ואי-הוודאות הניסיונית בטכניקה זו למדידת עומק הדלדול פירושה שהיא לא ניתנת לשימוש אמין עבור התקנים אלה.
4.2 אות חשוך ואיכות קוסמטית
בניסוי נמדד האות החשוך הממוצע עבור ההתקנים המיוצרים בשני המוצרים השונים. תוצאות טיפוסיות מוצגות באיור 7. לא נצפו הבדלים משמעותיים בין שני סוגי החומרים והאות החשוך נמצא הולם לזה הנמדד בהתקנים המיוצרים בסיליקון בעל התנגדות סגולית תקנית. התלות בטמפרטורה מראה שהאות החשוך נשלט על-ידי ההפקה התרמית ממצבי הממשק (כלומר אות החשוך במשטח מפעולה במוד לא מומר).
יהיה צורך לבחון יותר התקנים בטרם ייקבע מפרט כשלים עבור ההתקנים המיוצרים. אולם, ברור שניתן להשיג בנקל ביצועים באיכות מדעית. בממתח מצע גבי של 70- וולט צפיפות הכשלים, הן כשלי עמודה וכשלי נקודה, היא באותו סדר גודל כמו בהתקנים מקובלים. זוהי תוצאה מצוינת מאחר שהתקני ה-”Hi-Rho” מיוצרים מחומר גולמי ולכן אינם נהנים מהסילוק הטבעי של אי-ניקיונות בתוך המצע של חומר אפיטקסיאלי המשמש להתקנים רגילים. לא נרשמו הבדלים ברורים בין התקנים המיוצרים בשני סוגי החומרים.
האות החשוך הממוצע עולה במעט עם עליית הממתח של המצע הגבי. התלות המורגשת ביותר של הממתח נרשמה בקצב ההפקה של כשלי נקודה בהירה (bright point). תלות הממתח המצע הגבי של כשלי פיקסלים בהירים טיפוסיים עבור התקן המיוצר מחומר 2 מוצגת באיור 8, שם נרשמה ההתנהגות של שישה פיקסלים כושלים. נרשם תחום של תלויות וסביר שהתלות הממתח המעשית מושפעת מהמצב, בתוך נפח הסיליקון, של הכשל הגורם לקצב הפקה גבוה.
4.3 יעילות העברת המטען
שיטה מקובלת לקביעת יעילות העברת המטען (charge transfer efficiency – CTE) של התקן היא באמצעות שימוש בעקבת קו ערום (stacked). בטכניקה זו ה-CCD נחשף למקור קרני x של Fe55 כאשר קרני ה-x העיקריים הם בגין מעבר האלפא Mn K הנותנים אנרגיית קרני x של 5.899 keV. כאשר אלה נבלעים לתוך ה-CCD הם מפיקים אות ממוצע של 1600 אלקטרונים ב–100oC. תוך רישום האות שנאבד מהשיא הספקטראלי כפונקציה של מספר ההעברות, ניתנת לחישוב יעילות העברת המטען בשני הכיוונים, המקבילי והטורי. ל-CCD261 פיקסל במיוחד קטן ביחס לעומק הסיליקון, כך שאירועים מפולגים, בהם שולט האות המופק מכל פעולה הדדית של קרן x מורחב על-גבי פיקסלים אחדים. במקרה זה, לא קיים שיא ספקטראלי יחיד לשם קביעת ה-CTE. דבר זה מוצג בספקטרום קרני ה-x המופיע באיור 9. ניתן לשחזר בקירוב את המידע הספקטראלי על-ידי צירוף הפיקסלים (binning), כאשר ההשפעות שלו מוצגות באיור. ביצועי הספקטרום משתפרים משמעותית בעזרת תהליך פשוט של שחזור אירועים מפולגים, בו תת-מערך של 3×3 פיקסלים נבדק לאירוע קרן x אפשרי המתרחש במרכזו (כלומר אם הפיקסל המרכזי מכיל את רמת האות הגבוהה ביותר בתוך תת-המערך). אם אירע אירוע, כל הנתונים בתוך תת-המערך מועברים לפיקסל המרכזי. תת-מערך זה נסקר על כל הפיקסלים בתמונה. הספקטרומים הנוצרים מהתמונה המשוחזרת מוצגים גם הם באיור 9. לרוע המזל, תמונות קרני ה-x המקוריות סבלו מאיזה רעש נקלט אקראי באלקטרוניקה של שרשרת הוידאו, ונוצר רעש כולל של 18 אלקטרונים. לכן השיא מהעברת הביטא Mn K איננו נבדל בבירור משיא האלפא העיקרי של Mn K. אולם, עקבת קו ערום ניתנת להפקה מנתונים אלה. עקבת הקו הערום עבור הכיוון המקביל מוצגת באיור 10.
ה-CTE מושג מאיור 10 על-ידי חלוקה של גראדיאנט התאמה קווית למצב השיא כפונקציה של מספר השורות על-ידי האות בשיא הספקטראלי בשורה הראשונה. במקרה זה, ה-CTE המקבילי חושב כ- 0.9999963±0.000003. גרף דומה עבור הכיוון הטורי נותן CTE של 0.9999997±0.0000006. שני הערכים מתייחסים ל-CTE עבור טריפלט השעון המלא. לא נמדדו הבדלים בערכי ה- CTE על התקנים שיוצרו מחומר 2. ייתכן שפעולת שחזור האירועים המפולגים משפיעה על מדידת ה-CTE. כהוכחה על השפעות משמעותיות כל שהן, נערכו מדידות תוך שימוש בנתונים 3×3 משולבים, מהם הושגו ערכי CTE מאוד דומים, במסגרת שגיאות המדידה. ניתוח מפורט יותר חורג ממטרת מחקר זה.
4.4 מאפייני מגבר המוצא
שני מעגלי המוצא הם מגברים דו-שלביים מסוג מדעי עם השלב השני צמוד AC, כמתואר סכמטית באיור 11. השימוש בחיבורי מצע קדמי פירושו שניתן היה להשתמש בכללים עבור מגברי רעש נמוך. המגבר מתוכנן להשיג רצפת רעש בתדר נמוך של כ-2 אלקטרונים אחרי דגימה כפולה מותאמת. בתדר תצוגה של 500 קילו-הרץ הרעש שנמדד נקבע מקודם כ-~3.5 r.m.s. אלקטרונים 1, בהתאם לציפיות. מערכת הבדיקה אשר שימשה עבור עבודה זו לא הייתה ממוטבת עבור רעש, כך שלא נערך ניתוח נוסף.
ההיענות של מגברי המוצא נמדדה בעזרת שיטת העברת הפוטונים. הייתה הקפדה להשתמש באותות נמוכים בלבד מאחר שנרשמה אי-ליניאריות בשונות (variance) כנגד העקומות הראשיות עבור אותות גבוהים (מעל כ-50 ke) למרות שה-CTE היה טוב מאוד והמוצא ליניארי, כפי שאושר על-ידי מדידות זרם הקולט המאופס. מדידות טיפוסיות מוצגות באיור 12. סוג זה של התנהגות נרשם קודם לכן בהתקנים רגילים3. עקומות דומות מאוד מושגות עבור התקנים המיוצרים בחומר 2. כאשר הוא מופעל בממתח מצע גבי של 0 וולט, פיזור האות הצידי גרוע משמעותית עבור ההתקנים המיוצרים בחומר 1, כפי שתואר בפרק קודם. הדבר מראה שלפיזור הצידי יש השפעה מועטה על אי-הליניאריות של השונות כנגד העקומות הראשיות, בהתאם גם לממצאים אחרים 3. חקירה נוספת של תופעה מעניינת זו הייתה מעבר למטלות העבודה הנוכחית.
תוצאות אופייניות עבור ההיענות כפונקציה של ממתח המצע הגבי מוצגות באיור 13. הנתונים המוצגים הם עבור התקן המיוצר בחומר 2. ההתקנים המיוצרים בחומר 1 הראו התנהגות דומה מאוד. שינוי ממתח המצע הגבי מ-0 וולט ל-70- וולט מעלה את ההיענות בכ-10%. העלייה נשלטת כנראה על-ידי ההשפעה הקטנה של הממתח הגבי על קיבול צומת המוצא. עלייה בערך דומה נרשמה על-ידי קירור ההתקן מטמפרטורת החדר ל—1200C-. דבר זה נובע מהשינוי בניידות האלקטרונים בערוץ ה-FETs של מעגל המוצא והוא קיים גם בהתקנים מקובלים.
תמונות שנאספו לאחר זמני שילוב ארוכים מראות שאין אות משמעותי שהופק אופטית ממעגלי המוצא. דבר זה צפוי ממעגלי מוצא מדעיים איכותיים מקובלים.
4.5 יעילות קוונטית
ציפוים נגד השתקפות מרובי-שכבות חדשים נמצאים בפיתוח ב-e2v ותוארו בסימוכין [1]. ציפוי המכונה Multi-2 מוצע כציפוי תקני על התקנים מקובלים עבור יישומי אסטרונומיה ויהוו אופציה בסיסית עבור חיישני “Hi-Rho”, מאחר שהוא מספק יעילות קוונטית מצוינת בתחום ספקטראלי רחב. מדידות אשר נערכו עם חיישן “Hi-Rho” בעובי 100µm בטמפרטורת החדר מוצגות באיור 14. טמפרטורת הפעולה המעשית של חיישני ה-”Hi-Rho” אמורה להיות מסביב ל1000C–. טמפרטורה נמוכה יותר זו תשפיע על גידול אורך הניחות של הפוטונים בעל אורך-גל ארוך יותר ותפחית על-ידי כך את היעילות הקוונטית באורכי-גל אדום וקרוב לאדום. אולם, האיכות הקוסמטית הטובה של התקני ה-”Hi-Rho” בעובי 150µm המוצגת כאן הראתה שאיכות קוסמטית של התקנים עבים יותר קבילה וניתנת להזמנה לשם היענות משופרת באורכי-גל ארוכים. לכן היעילות הקוונטית הצפויה עבור התקן בעובי 200µm בטמפרטורת פעולה של -1000C מוצגת גם באיור.
5. מסקנות
אפיון מפורט של התקן ה-CCD261 של e2v הראה שהתקני ה-”Hi-Rho” החדשים מספקים ביצועי הדמיה מצוינים עבור יישומים הדורשים רגישות גבוהה באורכי-גל ארוכים. מגברי המוצא המסורתיים מסוג מדעי פועלים כמצופה וללא פליטת אור. ההבדל בביצועים בין התקנים המיוצרים בשני החומרים השונים הוא רק בממתח הדרוש כדי להשיג דלדול מלא. הבדלים מזעריים באיכות הקוסמטית בין התקנים המיוצרים מחומרים שונים הוצגו בעבודה זו. עבור רגישות מיטבית יש לתקנן את עובי ההתקנים המיוצרים ל-200µm עם ציפוי נגד השתקפות Multi-2 של e2v.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט
סימוכין:
[1] Jorden, P. R., Downing, M, Harris, A., Kelt, A., Mistry, P., Patel, P., “Improving the red wavelength sensitivity of CCDs”, Proc. SPIE 7742, 77420J (2010). [2] Holland, S.E., Goldhaber, G., Groom, D. E., Moses, W. W., Pennypacker, C. R., Perlmutter, S., Wang, N. W. , Stover, R. J., and Wei, M., “Development of Back-Illuminated, Fully-Depleted
