Проведены исследования матричных фотоприемных устройств формата 320256 элементов на основе четырехслойных гетероструктур р+-B-n-N+-типа с широкозонным барьерным слоем. Гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) с поглощающим узкозонным слоем InGaAs n-типа проводимости выращивались методами мосгидридной эпитаксии (МОСГЭ) на подложках InP. С помощью четырехкомпонентного тонкого слоя AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны устранен разрыв между поглощающим (In0,53Ga0,47As) и барьерным (In0,52Al0,48As) слоями. Использование дельта-легированных слоев в составе гетероструктуры позволило уменьшить барьер в валентной зоне и устранить немонотонность энергетических уровней. Проведены экспериментальные исследования темнового тока, среднее значение которого по матрицам фотодиодов с шагом 30 мкм не превышало 10 фА.
Проведены экспериментальные исследования коэффициента поглощения в структурах HgCdTe с одним фоточувствительным слоем р-типа проводимости, выращенных методами жидкофазной эпитаксии на подложках CdZnTe, эпитаксией из металлоорганических соединений и молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs, а также сравнение экспериментальных данных с теоретической классической моделью коэффициента поглощения, основанной на явлении собственного поглощения и общей теории прямых межзонных оптических переходов, и другими эмпирическими зависимостями. В области энергий ħω > Eg (области собственного поглощения) для всех образцов на основе материала HgCdTe получено удовлетворительное соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей коэффициента поглощения. В области энергий ħω < Eg (область Урбаха) у структур HgCdTe, выращенных методами ЖФЭ, МЛЭ и МОС, наблюдаются отклонения характеристик поглощения по сравнению с теоретическими экспоненциальными зависимостями Урбаха. Экспериментальные исследования коэффициента поглощения структур InGaAs, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений на кристаллически соответствующих подложках InP, показали соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей в рабочей области длин волн. Отклонение угла наклона теоретической и экспериментальной характеристик поглощения структур на основе InGaAs в 6— 10 раз меньше, чем у структур HgCdTe, что показывает на лучшее кристаллическое совершенство материалов группы А3В5 и их пригодность для изготовления фотоприемных устройств с предельными параметрами.
Представленная математическая модель инфракрасного матричного фотоприемного устройства (ИК МФПУ) позволяет прогнозировать фотоэлектрические характеристики любого фоточувствительного элемента (ФЧЭ) матрицы, анализировать зависимости этих характеристик от конструктивных и эксплуатационных параметров и осуществлять их оптимизацию. Модель позволяет точно определять все характеристики ИК МФПУ с холодной диафрагмой произвольной формы, в том числе и многосвязной, с учетом всей совокупности паразитных излучений, падающих на матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ). Для модели разработан новый способ определения облученности МФПУ, использующий новый конструктивный параметр — коэффициент пропускания холодной диафрагмы. Коэффициент пропускания диафрагмы определяется интегралом по площади холодной диафрагмы, включающим координаты заданной точки в плоскости МФЧЭ, расстояние от этой плоскости до плоскости диафрагмы, форму и размеры диафрагмы. Доказано, что фоновая облученность прямо пропорциональна произведению коэффициента пропускания диафрагмы на облучённость от протяжённого источника излучения (абсолютно черное тело) с известной температурой, расположенного в полусфере вокруг заданной точки МФЧЭ. Проведена экспериментальная оценка корректности модели сравнением сигналов, шумов и фотоэлектрических характеристик ФЧЭ ИК МФПУ на основе фотодиодов с известными конструктивными и эксплуатационными параметрами. Их МФЧЭ чувствительны в диапазонах 0,9—1,7 мкм, 3—5 мкм и 8—10,6 мкм. Получены хорошие совпадения характеристик, подтверждающие корректность модели.
В настоящей работе представлены результаты исследования фотоэлектрических свойств механически напряженных InGaAs/AlGaAs гетероструктур с квантовыми ямами различной конструкции, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на GaAs подложке и предназначенных для средневолновых инфракрасных широкоформатных фотоприемных матриц, работающих в спектральном диапазоне 3÷5 мкм. Показано, что изменение состава барьерных слоев приводит к существенному сдвигу спектров фоточувствительности таких гетероструктур.
Исследованы характеристики матричных фотоприемных устройств на основе QWIP-структур формата 384288 элементов с шагом 25 мкм. Установлено различие спектральных и вольтамперных характеристик для пластин эпитаксиальных структур QWIP. Наблюдается неоднородность выходного сигнала по площади фоточувствительных элементов с градиентами в различных направлениях. Фотоэлектрические параметры МФПУ сильно зависят от температуры охлаждаемого узла и смещения на фоточувствительном элементе. Эквивалентная шуму разность температур МФПУ составила 30 мК на кадровой частоте 120 Гц при температуре охлаждаемого узла 65 К.
Изготовлены макеты контактной системы БИС считывания формата 320256 с шагом 30 мкм на кремниевой пластине. Выполнено напыление слоев хрома, никеля и индия с последующим ионным травлением этих слоев через маску фоторезиста для формирования микроконтактов. Приведены результаты измерения сопротивлений соответствующих индиевых микроконтактов при комнатной температуре и при температуре жидкого азота.
Представлены результаты исследований индиевых микроконтактов на кристаллах БИС считывания и матричных фоточувствительных элементов после их гибридизации и последующей расстыковки, зависимости усилия отрыва от площади микроконтактов, а также вероятность появления дефектов БИС считывания после гибридизации. Индиевые микроконтакты на кристаллах БИС считывания изготовлены по технологии ионного травления, на кристаллах МФЧЭ методом химического травления. Исследованы фотоприемники форматов 320256 с шагом 30 мкм и 640512 с шагом 15 мкм на основе антимонида индия.
Проведена оценка влияния непрямых Г-L и Г-Х переходов в зоне Бриллюэна на оптические и электрофизические характеристики гетероэпитаксиальных слоев соединений А3В5 на примере тройных (InGaAs) и четверных (InGaAsP) соединений. Установлено, что с учетом непрямых переходов показатель преломления полупроводниковых соединений уменьшается на величину до 15 % в узком диапазоне длин волн 0,4—0,6 мкм.
Исследованы фотоэлектрические характеристики матричного фотоприемного устройства формата 320256 элементов с шагом 30 мкм с фоточувствительным элементом, изготовленным в эпитаксиальном слое антимонида индия на высоколегированной подложке. Среднее значение эквивалентной шуму разности температур при относительном отверстии диафрагмы 1:0,94 и времени накопления 1,46 мс составило 10,5 мК, количество дефектных элементов — 0,12 %, время корректируемости — более трех часов. Проведено сравнение данного МФПУ с аналогичными серийными МФПУ на основе объемного антимонида индия.
Проведены исследования и расчеты коэффициента поглощения для структур InGaAs, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD), а также сравнение экспериментальных данных с теоретической моделью спектра поглощения, основанной на явлении собственного поглощения и общей теории прямых межзонных оптических переходов. Проведен графический расчет ширины запрещенной зоны по наклону экспериментальной характеристики поглощения.