Архив статей

Представлен обзор основных полупроводниковых материалов фотоэлектроники в инфракрасных диапазонах спектра: 1–3; 3–5 и 8–12 мкм, обеспечивающих предельные параметры фотоприемных устройств. Показаны направления развития и совершенствования новых материалов в Российской Федерации.

Comparative analysis of splash of intrinsic photoconductivity of semiconductors with increasing concentration of recombination centers has been analyzed at low-level uniform and nonuniform illumination along of the electric field. Equation describing distribution of concentration of nonequilibrium charge carriers has been derived outside approximation of quasi-neutrality for arbitrary light beam profile along of the electric field. It follows from equation that due to photoinduced space charge, the splash of photoelectric gain in photoconductors under illumination perpendicular and along of the electric field should differ significantly at any conditions of recombination on current contacts. If photogeneration of charge carriers is nonuniform, then, unlike uniform photogeneration, the splash of photoelectric gain depends on the polarity of applied voltage. Note, that approximation of quasi-neutrality is insensitive to polarity. An analytical expression is derived for maximum value of electron photoelectric gain depended on concentration of recombination centers in the case of exponential photogeneration profile and sweep-out effect on contacts. Found relation between concentrations of nonequilibrium electrons and holes allows deriving an analytical expression for maximum value of hole photoelectric gain.

В работе представлены результаты моделирования времени жизни в узкозонных полупроводниковых слоях HgCdTe р- и n-типа проводимости в соответствии с механизмами рекомбинации Оже, излучательным и Шокли-Рида-Холла, используя эмпирические формулы Битти, Ландсберга и Блакемора (BLB), выведенные на основе kp модели Кейна с заданными начальными параметрами. Для структур HgCdTe р-типа проводимости состава x = 0,22 мол. дол., выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках CdZnTe, методом приближения экспериментальных и теоретических данных рассчитаны характеристические коэффициенты |F1F2| и , значение которых находится в хорошем соответствии с аналогичными работами. Проведена оценка расположения энергетического уровня ловушек в запрещенной зоне материала р-типа проводимости.

Из решения уравнения непрерывности для одномерной модели р–n-перехода с граничными условиями, определяющими поведение концентрации неосновных носителей заряда и тока на границах раздела областей р- и n-типа проводимости, получена зависимость произведения R0A от длины волны и температуры. Проведено сравнение влияния характерных для материала HgCdTe механизмов рекомбинации (излучательной, поверхностной, Оже, Шокли-Рида-Холла), на параметры фотодиодов. Показано, что параметры фотодиодов в большей степени зависят от механизмов рекомбинации Оже и ШРХ, при этом рекомбинация ШРХ в области объемного заряда дополнительно уменьшает произведение R0A более чем в 3 раза по сравнению с рекомбинацией Оже, а поверхностная рекомбинация на границе раздела области поглощения уменьшает произведение R0A на 1,5 порядка. Предложены рекомендации по улучшению технологии изготовления фотодиодов на основе HgCdTe, которые заключаются в усложнении архитектуры фоточувствительного элемента (ФЧЭ) и улучшение качества границ раздела между слоями.

Разработана конструкция и изготовлены матричные ФЧЭ форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм с длинноволновой границей чувствительности по уровню 0,5 около 9,5 мкм. Средняя величина R0А фотодиодов по всему массиву матрицы равна 100 Ом см2. Разработаны схема и топология, по которым изготовлены матричные высокоскоростные мультиплексоры форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм, обеспечивающие рабочие режимы на тактовой частоте до 20 МГц. Методом гибридной сборки на индиевых столбах изготовлено матричное ФПУ форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм с параметрами: средняя величина NETD < 30 мК, количество работоспособных элементов > 97 %. Использование мезатравления для разделения отдельных фотодиодов снижает фотоэлектрическую связь и обеспечивает высокое пространственное разрешение матричного ФПУ, равное 11,25 штр/мм. Представлены примеры использования системы микросканирования для снижения дефектных пикселов в кадре изображения и/или увеличения формата кадров до 768576. Показано, что в результате использования микросканирования в тепловизионном канале на основе разработанного ФПУ при переходе к формату 768576 получено улучшение пространственного разрешения в 1,4 раза при одинаковой величине минимально разрешаемой разности температур (МРРТ), а МРРТ на частоте 0,44 мрад-1 уменьшается с 1,6 К до 0,9 К по сравнению с исходным форматом 384×288.

Рассмотрены основные механизмы Оже-рекомбинации и рассчитаны скорости генерациирекомбинации и времена жизни в зависимости от состава и температуры в материале HgCdTe р- и n-типа проводимости на основе модели Битти–Ландсберга–Блэкмора (Beattie– Landsberg–Blakemore (BLB). Определены пороговые значения энергии, требуемые для процессов рекомбинации по механизмам Оже-1, Оже-7 и Оже-3. Проведена оценка темновых токов и обнаружительной способности в узкозонных полупроводниковых структурах HgCdTe с учетом фундаментальных Оже-механизмов.

Созданы и исследованы матрицы ультрафиолетовых фотодиодов, чувствительные в ближнем ультрафиолетовом диапазоне спектра 0,2–0,4 мкм на основе гетероэпитаксиальных структур AlxGa1-xN (ГЭС AlGaN). ГЭС AlGaN выращивались методами осаждения из металлоорганических соединений (MOVPE) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) на сапфировых подложках. Для уменьшения структурных дефектов исследовалось состояние поверхности и приповерхностного слоя эпиполированных сапфировых подложек, отрабатывалась технология их финишной обработки. Матрицы ультрафиолетовых фотодиодов в структурах ГЭС AlGaN изготавливались методом ионного травления. Проведено моделирование составляющих темнового тока для фотодиодов на основе нитридов алюминиягаллия. Рассчитаны основные составляющие темнового тока, такие как генерационнорекомбинационный, шунтирующей утечки, прыжковой проводимости, Пула–Френкеля. Показана возможность достижения фотоэлектрических параметров на уровне лучших зарубежных аналогов.

Методом высокотемпературного (800 оС) твердофазного (одноступенчатого и двухступенчатого) отжига на кремниевых подложках с ориентацией (111) сфор-мированы поликристаллические и ориентированные пленки дисилицида бария (BaSi2) толщиной до 100 нм. Однофазность пленок и их оптическая прозрачность ниже 1,25 эВ доказана по данным рентгеновской дифракции и оптических спектро-скопических методов. Установлено, что ориентированные пленки BaSi2 проявляют преимущественную ориентацию кристаллитов [(301), (601)] и [(211), (411)] параллельных плоскости (111) в кремнии. В ориентированных пленках обнаружены проколы, плотность которых и размеры уменьшаются при увеличении времени осты-вания после отжига при 800 оС. Расчет межплоскостных расстояний в решетке BaSi2 для выращенных пленок показал сжатие объема элементарной ячейки на 2,7 % для поликристаллической пленки, а для ориентированных пленок BaSi2 на: 4,67 % (10 минут остывания) и 5,13 % (30 минут остывания). При исследовании спектров комбинационного рассеяния света с изменяемой мощностью лазерного излучения установлено, что наибольшей устойчивостью обладают ориентированные пленки BaSi2, которые перспективны для создания солнечных элементов на кремнии. Определена максимальная плотность мощности лазерного луча (3109 Вт/м2), которая не приводит к началу разрушения данных пленок.

Тройные и четверные растворы материалов группы А3В5 арсенидов InGaAs и фосфидов InGaAsР используются в современных приборах коротковолнового ИК-диапазона спектра различного назначения. Проведены оценки и моделирование времени жизни в структурах А3В5 в соответствии с тремя основополагающими механизмами генерации-рекомбинации: излучательным, Оже и Шокли-Рида-Холла. По про-веденным оценкам время жизни в материале In0,53Ga0,47As n-типа проводимости в диапазоне концентраций 1013–1017 см-3 составляет от 10-5 до 4,510-4 с, что позволяет достигать высоких фотоэлектрических параметров.

Разработана конструкция и изготовлены матричные ФЧЭ на основе полупроводникового твердого раствора HgCdTe на подложках из кремния форматом 640×512 элементов с шагом 25 мкм с длинноволновой границей чувствительности 5 мкм по уровню 0,5. Разработаны схема и топология, по которым изготовлены матричные мультиплексоры форматом 640512 элементов с шагом 25 мкм, обеспечивающие рабочие режимы на тактовой частоте до 10 МГц. Методом гибридной сборки на индиевых столбах изготовлено матричное ФПУ форматом 640512 элементов с шагом 25 мкм. Лучшие образцы ФПУ характеризуются следующими параметрами: средняя величина NETD < 13 мК, количество работоспособных элементов > 99,5 %.

Рассмотрены физические и технические аспекты реализации альтернативного метода измерения абсолютной спектральной характеристики ИК МФПУ (спектр токовой чувствительности, вольтовой чувствительности и квантовой эффективности) без участия спектральных приборов. Метод основан на многократном измерении выходного сигнала всех ФЧЭ, генерированного модулированным излучением черного тела (МЧТ) при разных его температурах. Cигнал измеряется на фоне суммы постоянных сигналов, обусловленных излучением фона, входного оптического окна, модулятора излучения МЧТ, темновым током ФЧЭ и постоянным сигналом БИС-мультиплексора. На измеренных сигналах ФЧЭ строится система интегральных уравнений Фредгольма первого рода. В ее левой части стоят измеренные сигналы МЧТ, а в правой части системы стоят аналитические выражения, описывающие данные сигналы. Решением системы являются абсолютные значения вышеуказанных спектральных компонент всех ФЧЭ МФПУ. Рассмотрена блок-схема установки измерения, проанализированы функциональные особенности ее работы и обоснованы требования к ее блокам. Показаны дополнительные преимущества нового метода по сравнению с существующими методами.

В работе на основе энергетических характеристик оптико-электронной системы (ОЭС) предложена модель расчета максимальной дальности обнаружения l(, T) объекта наблюдения с учетом характеристик ОЭС, таких как: освещенность Ei(, Т) в плоскости изображения, апертура, диаметр входного зрачка и параметров ФПУ, таких как отношение сигнал/шум, пороговая мощность, площадь фоточувствительного элемента (ФЧЭ), площадь матрицы. Проведена оценка дальности обнаружения объекта наблюдения в спектральном диапазоне 8–10 мкм, максимальное значение которой составило порядка 3,4 км.