Статья: ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ В МАТРИЧНЫХ ИК-ФОТОПРИЕМНИКАХ (1999)

Изложены результаты разработки и исследований основных характеристик одноэлементных фотодиодов из соединений ртуть - кадмий - теллур (КРТ), в том числе в гетеродинном режиме с быстродействием до 1 ГГц, на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм. Изложены особенности топологии и технологии матричных фотоприемников форматов 32х32, 128х128, 384х288, 4х16, 4х48, 2х96, 4х128, 2х256 на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм, изготовленных как на объемных монокристаллах, так и эпитаксиальных слоях, выращенных различными технологическими методами. Проанализированы проблемы временной и температрурной стабильности фотодиодов из КРТ и возможные пути совершенствования параметров МФП.

Проведены исследования зависимости состава собственного окисла, выращенного на поверхности монокристаллов CdхHg1-хTe, от ориентации поверхностей кристаллов. Выполненный методом ЭСХА послойный анализ состава анодного окисла показал, что для плоскостей (111) и (100) состав окисла плавно изменяется от подложки к поверхности окисного слоя. В окисле же на поверхности (110) обнаружена прослойка неокисленного теллура. В работе обсуждается связь обнаруженных эффектов с физико-химическими свойствами поверхностей кристалла.

Изготовлен и исследован макет бессканерного тепловизора формата 128х128 на спектральный диапазон 8-12 мкм. Тепловизор состоит из матрицы фоточувствительных элементов на основе фотодиодов из КРТ, состыкованной на индиевых столбиках с охлаждаемым МОП-мультиплексором, микрокриогенной системы Сплит-Стирлинга и электронного блока обработки изображения. Эквивалентная шуму разница температур тепловизора не превышает 0,1 К.

Разработаны фотоприемники на основе широкозонных полупроводниковых материалов GaP, GaAs и их тройного соединения GaPхAs1-х. Для создания фотоприемников использован барьер Шоттки с полупрозрачным металлическим слоем. В качестве исходного материала использованы эпитаксиальные структуры n-n+-n типа с нелегированным n-слоем. Приведены основные параметры фотоприемников.

Обсуждаются схемы двумерных спектрометров, использующие абсорбцию света, явление нарушения полного внутреннего отражения и механизмы управления спектральной чувствительностью фотоприемников. Подобно тому, как это производится в интерференционных спектрометрах, спектр анализируемого излучения в рассматриваемых приборах получается в результате обработки сигнала на их выходе средствами вычислительной техники.

Разработан неохлаждаемый вариант высокочувствительного лазерно-спектроскопического газоанализатора. Для регистрации газов используются аналитические линии на основе составных частот. Применены фотоприемники и лазерные диоды ближнего ИК-диапазона в районе 1,7 мкм. Наиболее перспективным является использование прибора в медицине (ранняя диагностика заболеваний внутренних органов).

Рассмотрена физика работы новой смотрящей ИК гибридной матрицы на основе HgCdTe р-n-переходов. Проанализированы предельные пороговые характеристики таких матриц на спектральные диапазоны 3 - 5 и 8 - 14 мкм. Архитектура рассматриваемых матриц намного проще чем у существующих: накопительные емкости занимают всю площадь под фоточувствительной ячейкой, а в качестве элементов коммутации используются сами фоточувствительные р-n-переходы. Накопительные емкости могут быть изготовлены на основе диэлектриков с относительно высокой диэлектрической проницаемостью (типа TiO2 и интегрированных сегнетоэлектриков). В отличие от фото-ПЗС и -ПЗИ, в рассматриваемой матрице не используется перенос заряда между пространственно разнесенными электродами. Определены параметры фоточувствительных и накопительных элементов, при которых реализуются наибольшие времена накопления и пороговые характеристики, близкие к теоретическому пределу. Показано, что в принципе рассматриваемая матрица обладает уникальными параметрами и в ней могут быть подавлены шумы усилителя типа 1/f. Так, матрицы, площадь фоточувствительного р-n-перехода которых составляет 20х20 мкм2, могут работать в BLIP-режиме и иметь время накопления фотосигнала и формат, равные постоянной времени человеческого глаза и 1024х1024 элементов для диапазона 3 - 5 мкм и, соответственно, 300 мкс и 256х256 элементов для диапазона 8–10 мкм при температуре фона 300 К.