Статьи

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.

Из-за особенностей легирования полупроводниковых структур группы нитридов и высокой степени компенсации, существует проблема определения концентрации легирующей примеси традиционными методами. В работе предложен и исследован метод расчета концентрации носителей заряда с учетом модели зонных состояний в полупроводниковых структурах группы нитридов n-типа проводимости. Метод основан на уравнении электронейтральности носителей заряда с учетом статистического закона распределения носителей в зонах и на дополнительных уровнях в запрещенной зоне.

В работе исследованы методы определения концентрации и подвижности носителей заряда в материалах группы нитридов р- и n-типа проводимости, предложены выражения для определения коэффициента Холла и подвижности носителей заряда в образцах нестандартной формы, а также поправочные коэффициенты, уменьшающие погрешность измерений. Определены концентрации и подвижности в образцах на основе группы нитридов р- и n-типа проводимости методом Холла и методом Ван-дер-Пау для образцов разной геометрии с контактами различной формы.

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.

Исследованы спектральные характеристики фотоприемных устройств (ФПУ), детектирующих излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, изготовленные на основе антимонида индия, предназначенные для обнаружения, распознавания и идентификации тепловых объектов. Проведен расчет квантовой эффективности в зависимости от конструктивных параметров фотодиодов с учетом прохождения излучения через антиотражающее покрытие, а также с учетом отражения от границы раздела «p+-слой/омический контакт» с последующим повторным поглощением в структуре фотодиода. Разработана аналитическая модель коэффициента поглощения антимонида индия с учетом эффекта Бур-штейна-Мосса и правила Урбаха. Определена оптимальная толщина базового слоя фотодиода при различных значениях времени жизни неосновных носителей заряда.

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.