Успехи прикладной физики

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.

Оптимизирована толщина матричных фотоприемных устройств средневолнового диапазона формата 640512 элементов с шагом 15 мкм на основе антимонида индия. Измерены интегральные распределения толщины и разброса толщины по площади матричного фоточувствительного элемента. Определена оптимальная толщина из сравнения зависимостей интегральных распределений толщины объемной структуры утоньшенного антимонида индия с оценкой видимости миры в МФПУ.

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.

В работе исследована новая рBn-архитектура на основе гетероструктуры GaAsSb/AlAsSb/InAsSb группы материалов A3B5, с барьерным слоем AlAsSb n-типа, поглощающим слоем InAsSb n-типа, коллекторным слоем GaAsSb р-типа проводи-мости, предназначенная для детектирования излучения в ИК-диапазоне спектра 3,1–4,2 мкм. У представленной структуры не имеется разрыва в валентной зоне, что позволяет работать в широком диапазоне напряжений смещения, не обедняя базовый активный слой InAsSb n-типа. Барьер в зоне проводимости, благодаря наличию в структуре широкозонного слоя AlAsSb составляет  1,0 эВ, что достаточно для блокирования электронной составляющей тока. Проведен анализ темновых токов и основных параметров рBn-структуры, получено, что при рабочей повышенной температуре Т  150 К и плотности темнового тока J  610-10 А/см2 значение обнаружительной способности достигает значения D*  2,51012 (см Вт-1Гц1/2).

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.