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.
Обосновывается необходимость расширения динамического диапазона в МФПУ коротковолнового ИК-спектра (SWIR). Традиционно применяемые способы обладают низкой эффективностью, в особенности, в крупноформатных матрицах с шагом не более 15 мкм. Наибольшей эффективностью расширения динамического диапазона (до 100 дБ) обладают накопительные ячейки с индивидуально изменяемой передаточной характеристикой в зависимости от яркости фрагментов наблюдаемой сцены. В работе предлагается простой в топологической реализации и эффективный способ расширения динамического диапазона, основанный на автоподстройке времени накопления индивидуально в каждой ячейке интегральной схемы считывания. При этом сохраняется высокая крутизна и линейность преобразования в накопительных ячейках с умеренной освещенностью (до 50–70 % от максимального сигнала), но снижается чувствительность в ячейках, близких к насыщению. В результате, формируется линейно-логарифмическая передаточная характеристика, обеспечивающая расширенный динамический диапазон. В работе приводятся примеры изображений с расширенным динамическим диапазоном, полученные с помощью первой отечественной SWIR-камеры формата 640×512 элементов.
Проведены сравнительные измерения нескольких однотипных матричных фотоприемных устройств (МФПУ) SWIR-диапазона при различных режимах работы для определения характеристик и их разброса (сигнальные и шумовые характеристики, эквивалентная мощность шума, количество дефектных пикселей) и для выбора режима работы МФПУ в камере. Необходимые для этого данные в описаниях на МФПУ не приводятся. Выявлено хорошее совпадение средних характеристик всех МФПУ и значительный разброс пороговой эквивалентной мощности шума от количества дефектных пикселей для разных МФПУ. Рассмотрены преимущества и недостатки режимов: «низкого» и «высокого усиления», «с фильтром» и «без фильтра», при разной температуре МФПУ (изменяемой током термоэлектрического модуля Пельтье). Выявлено отсутствие зависимости шумовых характеристик от температуры МФПУ, измерены зависимости количества дефектных пикселей и темновых токов от температуры МФПУ. Предложено информативное, но лаконичное представление параметров МФПУ и камер при выборе МФПУ (или камер) для разрабатываемой системы при оценке качества конкретной МФПУ (или камеры) для комплектации изделий.
В работе проанализировано современное состояние исследований в области создания униполярных полупроводниковых барьерных структур на основе различных материалов для инфракрасных матричных фотоприемных устройств (МФПУ), позволяющих снизить с темновые токи и тем самым улучшить пороговые характеристики и обеспечить работу при повышенных температурах охлаждения. Рассмотрены основные пути минимизации барьера для дырок в валентной зоне на примере фоточувствительной структуры на основе КРТ n-типа проводимости. Показано, что барьерные структуры nBn-типа представляют собой альтернативу для создания матриц фотодиодных чувствительных элементов для МФПУ среднего и дальнего ИК-диапазона.
Проанализировано современное состояние твердотельной фотоэлектроники, представлены результаты и перспективы проведения научных исследований с целью создания фотоприемных устройств (ФПУ) новых поколений. В работе рассматриваются характеристики как выпускаемых серийно, так и вновь разрабатываемых ФПУ, детектирующих излучение в различных спектральных диапазонах ИК области спектра на основе полупроводниковых материалов групп А3В5 и А2В6, а именно: структуры на основе соединений сурьмы в диапазоне 3–5 мкм; QWIP-структуры GaAs/AlGaAs в диапазоне 7,8–9,3 мкм; структуры HgCdTe – в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм; XBn-структуры InGaAs в диапазоне 0,9–1,7 мкм. Показаны наиболее близкие зарубежные аналоги и определены пути дальнейшего улучшения их характеристик.
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 4,510-4 с, что позволяет достигать высоких фотоэлектрических параметров.
Представлены результаты разработки активной оптической системы с усилителем яркости изображения на самоограниченных переходах атома марганца. Экспериментально показано, что усилитель яркости на парах хлорида марганца позволяет преобразовывать оптические сигналы (изображения) в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра с высоким временным разрешением (до 100 кГц), что открывает новые возможности для проведения визуально-оптического контроля. Показаны перспективы применения визуализации на ИК-переходах атома марганца (1289 нм и 1332 нм) с использование камер коротковолнового инфракрасного диапазона спектра на основе арсенида индия галия (InGaAs) производства АО «НПО «Орион». Проведено сопоставление изображений, формируемых на видимых переходах (534,1 и 542 нм) с изображениями, полученными на ИК-переходах (1289 и 1332 нм). Показана возможность регистрации изображения, формируемого одним импульсом усиления (длительность 40 нс).
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 320256 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 320256 элемен-тов с шагом 30 мкм, обеспечивающего разрешение по дальности до 0,6 м.