Статьи

Исследована фотоэлектрическая взаимосвязь матричных фотоприемных устройств средневолнового ИК-диапазона форматов 320256 элементов с шагом 30 мкм и 640512 элементов с шагом 15 мкм на основе антимонида индия. Определена зависимость величины взаимосвязи от толщины объемной структуры утоньшенного антимонида индия. Взаимосвязь элементов МФПУ на основе эпитаксиального антимонида индия существенно меньше, чем взаимосвязь на основе объемного антимонида индия.

1. Исследованы многослойные структуры на основе полупроводниковых материалов группы антимонидов с поглощающими слоями InSb, и AlxIn1-xSb, в том числе структуры с барьерным слоем InAlSb (InSb/InAlSb/InSb), предназначенные для изготовления перспективных фотоприемных устройств (ФПУ), детектирующих излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. На основе выращенных методом МЛЭ p–i–n и барьерных структур изготовлены фоточувствительные элементы (ФЧЭ) различной топологии с поглощающими слоями InSb, и AlxIn1-xSb. Показано, что широкозонные тройные растворы AlxIn1-xSb детектирующие излучение в средневолновой области спектра, являются альтернативой узкозонному бинарному соединению InSb, поскольку, вследствие широкозонности, фотодиоды на основе AlxIn1-xSb имеют меньшие темновые токи, а, следовательно, шумы. Для фотоприемных устройств на основе структур различной топологии измерены средние значения обнаружительной способности и эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ), так для р–i–n-структур среднее по ФЧЭ значение обнаружительной способности превысило D*  1011 см Вт-1 Гц1/2, а для структур с барьерным слоем – D*  1012 см Вт-1 Гц1/2.

Изложены аспекты выращивания эпитаксиальных слоев антимонида индия (InSb) на подложках InSb (InSb-on-InSb) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и изготовления фотоприемных устройств (ФПУ) на основе полученных эпитаксиальных структур (ЭС). Применение эпитаксиального выращивания позволяет создавать сложные структуры на основе InSb и управлять интенсивностью генерации-рекомбинации носителей заряда в фоточувствительных элементах (ФЧЭ) при обычных и повышенных температурах. Исследования характеристик ФПУ формата 320256 элементов с шагом 30 мкм и ФПУ формата 640512 элементов с шагом 15 мкм на основе структур InSb-on-InSb средневолнового ИК диапазона спектра показали достижение высоких фотоэлектрических параметров, так среднее по ФЧЭ значение обнаружительной способности при Т = 77 К превысило 21011 смВт-1Гц1/2, а среднее значение эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) по элементам ФПУ с холодной диафрагмой 60о при Т = 77 К составило 10,5 мК. В ре-жиме реального масштаба времени получены тепловизионные изображения повышенного пространственного разрешения по сравнению с ФПУ на объемном InSb.

Представлены достижения в области создания высокочувствительных фотоприемных устройств (ФПУ) на основе гетероструктур InGaAs с широкозонным барьерным слоем InAlAs коротковолнового инфракрасного диапазона спектра. Предложены конструктивных решения построения ФПУ спектрального диапазона 0,9–1,7 мкм с малой неоднородностью параметров и дефектностью пикселей менее 0,5 %. Рассмотрены возможности расширения спектрального диапазона в коротковолновую до 0,5 мкм и в длинноволновую до 2,2 мкм области спектра ФПУ на основе гетероструктур InGaAs.

Изложены принципы конструирования активно-импульсных систем, использующих ФПУ на основе InGaAs формата 320256 элементов с шагом 30 мкм, измеряющих расстояние до цели в спектральном диапазоне 0,9–1,7 мкм. Исследованы параметры матричного инфракрасного дальномера на основе ФПУ формата 320256 элемен-тов с шагом 30 мкм, обеспечивающего разрешение по дальности до 0,6 м.

Исследованы фотоприемные устройства (ФПУ), детектирующие излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, изготовленные на основе многослойных структур антимонидов с поглощающими слоями InSb, AlxIn1-xSb и InAs1-xSbx в том числе структуры с барьерными слоями InAlSb (InSb/InAlSb/InSb) и InAsSb (InAsSb/AlAsSb/InAsSb), предназначенные для оптико-электронных систем и приборных комплексов. Изготовлены фоточувствительные элементы (ФЧЭ) различной топологии, показано, что широкозонные тройные растворы AlxIn1-xSb и InAs1-xSbx, являются альтернативой узкозонному бинарному соединению InSb, поскольку фотодиоды на их основе имеют меньшие темновые токи, а, следовательно, шу-мы. Рассчитаны средние значения обнаружительной способности и эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) ФПУ, изготовленных на основе матриц фоточувствитель-ных элементов (МФЧЭ) различной топологии.

В последние годы наблюдается быстрое совершенствование изделий фотоники, обусловленное использованием многослойных гетероструктур, выращенных на основе перспективных материалов; конструированием структуры фоточувствительного элемента (ФЧЭ) для достижения минимального темнового тока, что в свою очередь приводит к смене поколений матричных фотоприемных модулей (ФПМ). В работе рассматриваются ФПМ, детектирующие излучение в различных спектральных диапазонах ИК-области спектра: на основе эпитаксиальных структур InSb в диапазоне 3–5 мкм; на основе квантово-размерных QWIP-структур из GaAs/AlGaAs в диапазоне 7,8–9,3 мкм; на основе XBn-структур из InGaAs в диапазоне 0,9–1,7 мкм. Показаны наиболее близкие зарубежные аналоги и определены пути дальнейшего развития.

Исследованы фоточувствительные материалы и полупроводниковые соединения, изготовленные из композитных органических растворов и наночастиц, включающие два или более полупроводниковых материала в смешанном активном слое, к которым относятся: коллоидные квантовые точки, перовскиты, материалы на основе органических полупроводников, наночастиц и углеродных слоев. Рассмотрены структурные конфигурации приборов на их основе. Представлены возможные схемы переноса носителей заряда в перовскитных матрицах, показаны схемы распределения носителей заряда в композитных слоях на основе органических полупроводниковых соединений и наночастиц.

Быстрое развитие синтезируемых из растворов ИК-фотоприемников нового класса расширяет функциональные возможности классической фотоэлектроники за счет модификации свойств используемых органических материалов и гибкой настройки оптико-электронных характеристик. Предложены новые материалы, которые позволяют использовать передовые концепции систем ИК-детектирования, включая безпиксельную интеграцию с БИС считывания, различные механизмы усиления фотосигнала, облегченные конструкции, работу при повышенных температурах. Показаны перспективы применения изготовленных на основе органических полупроводниковых соединений фотоприемных устройств.

Для задачи дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в коротковолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра наиболее перспективны матричные и многорядные фотоприемные модули коротковолнового инфракрасного (ИК) диапазона спектра на основе гетероэпитаксиальных структур материалов тройного раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ, HgCdTe) и тройного раствора индий-галлий-арсенид (InGaAs), чувствительные в спектральном диапазоне от 1 до 2,5 мкм. Анализируются возможные архитектуры фоточувствительных элементов, обеспечивающие пониженные темновые токи и шумы.

Рассматриваются пути совершенствования и исследуются темновые токи и параметры гетероструктур n-on-p-типа на основе HgCdTe в широком температурном диапазоне, а также параметры барьерных структур р+-B-n-N+-типа на основе InGaAs.

Рассмотрены закономерности низкочастотного шума в крупноформатных матричных фотоприемных устройствах среднего инфракрасного диапазона на основе анти-монида индия и его влияние на качество тепловизионного изображения после проведения коррекции неоднородности. Установлено, что низкочастотный шум меньше при изготовлении фотоприемников из слитков антимонида индия с увеличенной концентрацией примеси.

Разработана математическая модель ширины запрещенной зоны тройных твердых
растворов кадмий-ртуть-теллур, выращиваемых методами молекулярно-лучевой и
жидкофазной эпитаксии, по результатам анализа статистической выборки резуль-
татов контроля спектральных характеристик чувствительности фотодиодов, из-
готавливаемых в ГНЦ РФ АО «НПО «Орион». Проведено исследование температур-
ной зависимости длинноволновой границы чувствительности фотоприемных
устройств на основе структур КРТ, изготовленных методами МЛЭ и ЖФЭ, с исполь-
зованием полученных формул эффективной ширины запрещенной зоны. Полученные
результаты направлены на совершенствование технологии изготовления фотодиодов
на основе КРТ.

Представлены результаты исследований процессов гибридизации кристаллов БИС считывания и МФЧЭ матричных фотоприемных устройств ИК-диапазона, которые проводились на установках с автоколлиматором и без автоколлиматора методом перевернутого кристалла и определена необходимость использования автоколлиматора для различных фотоприемников. На основе проведенных исследований оптимизированы процессы гибридизации. Установлено, что на установке с автоколлиматором надежнее и рациональнее гибридизировать крупноформатные МФЧЭ и БИС счи-тывания формата более 640512, а на установке без автоколлиматора – малогабаритные матричные фотоприемники и многорядные фотоприемные устройства.