Статья: УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ХИМИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫХ ПЛЕНОК СЕРНИСТОГО СВИНЦА (1999)

Дано описание принципа действия твердотельного преобразователя изображения (ТПИ), а также прибора ночного видения на основе этого преобразователя. Предложены схема прибора и его принцип действия, характеристики и результаты экспериментов. Показаны перспективы повышения чувствительности твердотельных преобразователей изображения на базе структуры МДП–жидкий кристалл.

Дано описание активно-импульсного телевизионного (ТВ) переносного прибора наблюдения, обеспечивающего дистанционную передачу изображения с помощью малогабаритного радиопередатчика на дальность до 200 м. Прибор обеспечивает дальность опознавания автомашины до 2000 м при точности измерения дальности ±10 м.

Кратко изложено современное состояние развития приборов ночного видения и тепловизионных приборов, показаны пути и концепции дальнейшего развития этих видов техники, перечислены важнейшие ведущиеся разработки новых видов ночной техники на базе новейших достижений в разработке и создании электронно- оптических преобразователей (ЭОП) и фотоприемных устройств (ФПУ). Дан сравнительный анализ оснащения приборами ночного видения и тепловизионными приборами российской и зарубежных армий.

Рассмотрены основные тенденции современного развития ЭОП, основными из которых являются существенное повышение уровня параметров зарубежных ЭОП 3-го поколения, включая создание ЭОП с продленной в ближнюю ИК-область чувствительностью, развитие ЭОП 2+ - поколения и создание их модификаций суперпоколения, а также расширение возможностей ЭОП за счет электронной и компьютерной обработки получаемого изображения в приборах с “развязанным” дисплеем (4-е поколение). В качестве примера последних описана разработанная в “НПО “Орион” совместно с “Орэкс” дневно-ночная цветная стереотелевизионная система наблюдения.

Развитие промышленности фотоприемных устройств потребовало, чтобы оптические покрытия, как и другие комплектующие узлы, удовлетворяли жестким технологическим (на этапах сборки фотоприемника) и эксплуатационным требованиям. В статье приведены основные этапы создания таких покрытий для областей спектра 3—5 и 8–14 мкм на основе процессов термо- и ионного осаждения.

Приведены результаты научно-исследовательской работы по разработке фотоприемного устройства, состоящего из фотоприемника на основе матрицы из PbSe форматом 8х8 и термоэлектрического охладителя, и устройства обработки и управления. Показана возможность реализации по- рогового потока 6,32·10-8 Вт/эл при частоте модуляции 1200 Гц, полосе пропускания сигнала 150 Гц, температуре слоя 22 °C.

Рассмотрена конструкция фотомодуля, состоящего из 256-элементного сернисто-свинцового фоторезистора и микросборок предварительного усиления и коммутации, выполненных на основе 64-канальных ПЗС мультиплексоров (ПЗСМ), дан анализ функциональной схемы, приведены основные параметры.

Ведутся работы по созданию многоканальных фотоприемных устройств, работающих в области спектра 3-5 мкм, выполненных на основе высокочувствительных охлаждаемых гибридных фотомодулей (ФМ), состоящих из многоэлементного фоточувствительного элемента (ФЧЭ), мультиплексоров и устройств охлаждения (например, ТЭО). Применение таких ФМ позволит улучшить массогабаритные показатели оптика-электронной аппаратуры, уменьшить потребляемую мощность, снизить стоимость и трудоемкость изготовления ФПУ. Коммутация сигналов в ФМ осуществляется при помощи бескорпусных БИС мультиплексоров с предусилителями на входах. Для достижения предельных пороговых характеристик таких фотомодулей параметры ФЧЭ и мультиплексоров должны быть взаимно согласованы. Рассмотрены вопросы разработки и исследования мультиплексоров с целью их оптимального сопряжения с фоторезистором из PbSe, определены требования к параметрам фоторезистора и характеристики мультиплексора, обеспечивающего реализацию обнаружительной способности фотомодуля.

Разработан новый вид клея-герметика на основе силоксануретановых блоксополимеров для герметизации и сборки фотоприемников на основе халькогенидов свинца. Герметик отличается от известных полимерных клеев- герметиков, применяемых в технологии изготовления названных фотоприемников, повышенной эластичностью и экологической чистотой при сохранении адгезионной прочности, оптической прозрачности и способности к стабилизации фотоэлектрических параметров герметизируемых фоточувствительных структур.

Приведены результаты исследования химических слоев селенистого свинца, осажденных на подложках из фотостекла с селективными интерференционными дихроичными зеркалами, увеличивающими фотоактивное поглощение в области спектра 4 мкм и более. Интегральные D* и Su при этом обладают повышенными значениями по сравнению с фотослоями, изготовленными традиционными способами

Приведены результаты разработок фотоприемников на основе сульфида и селенида свинца в ГУП «НПО“ Орион“», характеризующие возможности предприятия по созданию различных образцов изделий и фотоэлектрические параметры последних.

Разработано неохлаждаемое двухканальное фотоприемное устройство с кремниевым фотодиодом и пленочным фоторезистором из сульфида свинца. Фотодиодный канал снабжен усилителем 744УД1А-1 и обладает порогом чувствительности не выше 1,5·10-10 Вт/Гц-1/2 по источнику А (Т = 2850°С). Удельный порог ФР не превышает 1,3·10-9 Вт/см/Гц1/2 по черному телу с температурой 300°С. ФПУ характеризуется высокой точностью соосности фотодиода, фоторезистора и иммерсионной линзы относительно посадочного диаметра устройства.

Выбор материала чувствительного элемента неохлаждаемой микроболометрический матрицы в значительной степени определяет ее предельные параметры. В статье представлены результаты исследований сэндвичных и плоскостных болометрических структур на основе пленок аSi: Н и VO2, соответственно. Пленки аSi: Н изготовлены методом плазмохимического газофазного осаждения, пленки VO2 методом реактивного магнетронного ионно-плазменного распыления. Сэндвичные структуры при площади 100х100 мкм имеют сопротивление ~20 кОм и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) >2 %/К при 25°С. Плоскостные структуры с рабочим участком 100х70 мкм при том же сопротивлении имеют ТКС 2,9 %/К. Найдены способы снижения контактного шума тех и других структур. Сэндвичи, построенные в виде оптических резонаторов, поглощают 80 % излучения на длине волны 8 мкм. Показано, что может быть достигнуто поглощение плоскостных структур 50—80 % в полосе 8,5—10 мкм.

Приведены результаты экспериментального исследования влияния величины сопротивления поверхностного канала на электрические и фотоэлектрические характеристики p-i-n-фотодиодов большой площади с охранным кольцом, изготовленных на кремнии p-типа проводимости с удельным сопротивлением r ~ 20 кОм·см. Проведен анализ зависимостей темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, а также чувствительности, коэффициента фотоэлектрической взаимосвязи и ватт-амперных характеристик приборов от сопротивления канала для широкого интервала его значений. Определены оптимальная величина сопротивления канала для p-i-n-фотодиодов и требования к его значению на различных участках топологического рисунка поверхности при необходимости улучшения характеристик приборов.

Представлены результаты исследований, позволившие определить пути усовершенствования базовой топологии и технологии изготовления фотодиодов на кристаллах InSb. Введение этих усовершенствований снижает уровень темновых токов фотодиодов до значений < 3·10-11 А, соответствующих требованию к низкофоновым фотоприемникам спектрального диапазона 3–6 мкм, работающих в BLIR-режиме.

В развитие РТМ 3-1950-91 с целью повышения качества ФП и ФПУ разработаны новые крио- и химстойкие клеи ФХ-5Р и “Орион-2” для крепления КРТ к подложке. Вакуумно-плотный клей ХСК-Н обеспечивает надежное соединение входных окон и элементов держателя. Использована виброгасящая композиция “Орион-65” для монтажа многослойных печатных плат.

Дано описание конструкции и характеристики вакуумных фоторезисторов из CdHdTe для спектрального диапазона 8-12 мкм, охлаждаемых с помощью дроссельных микротеплообменников и газовых криогенных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга.

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.

Экспериментально исследован метод восстановления функции распределения чувствительности по фотоприемнику по экспериментально измеренной зависимости сигнала от перемещения и известной функции распределения освещенности оптического зонда.

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.