Публикации автора

Представлены аналитические выражения для коэффициентов лавинного размножения носителей в p–n-структурах. Рассмотрены наиболее характерные ситуации: ступенчатый (резкий) и плавный (линейный) p–n-переходы и тонкая p+–n(p)–n+-структура (типа p–i–n). Выведены формулы для напряжения лавинного пробоя VBD и показателя степени в соотношении Миллера для зависимости коэффициента размножения носителей от приложенного напряжения V. На примере полупроводников Ge, Si, GAP и InSb показано, что полученные аналитические результаты находятся в хорошем количественном согласии с проведенными ранее численными расчетами и экспериментальными данными. Эти результаты позволяют быстро и с хорошей точностью оценивать коэффициенты размножения электронов и дырок при заданном приложенном напряжении V.

Проведен теоретический анализ зависимости межзонного туннельного тока гетероструктуры с p+–n-переходом в ″широкозонном″ слое от параметров используемых полупроводниковых материалов, уровней легирования ″высокоомных″ слоев и их толщин при напряжениях лавинного пробоя гетероструктуры. Показано, что туннельный ток, как правило, немонотонно зависит от концентрации легирующей примеси в ″высокоомной″ части ″широкозонного″ слоя. В наиболее практически интересном случае существует оптимальная концентрация этой примеси, при которой для заданных толщин слоев и уровня легирования ″узкозонного″ слоя туннельный ток достигает абсолютного минимума. Выведена простая формула для определения величины этой концентрации. Получено также аналитическое выражение для определения минимального значения туннельного тока. В реальных случаях перепад токов может составлять несколько порядков. Выяснено, что увеличение уровня легирования ″узкозонного″ слоя во многих случаях приводит к уменьшению туннельного тока. Показано, что при понижении уровня легирования ″высокомных″ слоев гетероструктуры туннельный ток не обращается в нуль, а начиная с некоторой концентрации перестает зависеть от уровня легирования. Аналогичный эффект имеет место и для гомогенного p+–n-перехода. Обсуждаются физические причины такого поведения туннельного тока при напряжениях лавинного пробоя. Разработана методика оптимизации параметров гетероструктуры порогового лавинного фотодиода с разделенными областями поглощения и умножения. Проведены конкретные расчеты, например, для широко используемой системы InP-In0,53Ga0,47As-InP.

Рассмотрена возможность описания переходных процессов в p–i–n лавинных фотодиодах (ЛФД) элементарными функциями, прежде всего, при начальном напряжении V0, большем напряжения лавинного пробоя VBD. Постановка задачи вызвана потребностью знать явные условия возникновения гейгеровской моды работы ЛФД. Выведено несложное выражение, описывающее динамику лавинного гейгеровского процесса. Получена формула для полного времени его протекания. Представлено явное аналитическое соотношение реализации моды Гейгера. Определены условия применимости полученных результатов.

В заключение на основе аналитических вычислений обсуждены и продемонстрированы преимущества лавинных гетерофотодиодов (ЛГФД) с разделенными областями поглощения и умножения (РОПУ) типа ‘‘low-high-low’’ перед классическими образцами.

Исследованы характеристики матричных фотоприемных устройств на основе QWIP-структур формата 384288 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.

Исследованы фотоэлектрические характеристики матричного фотоприемного устройства формата 320256 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.

В работе представлены экспериментальные результаты исследования и анализа структурных свойств подложек кадмий-цинк-теллур (КЦТ), предназначенных для эпитаксии кадмийртуть-теллур (КРТ), методами рентгеновской дифрактометрии, селективного травления, инфракрасной микроскопии. Показана взаимосвязь формы и полной ширины на полувысоте кривой качания со структурными дефектами, присутствующими в материале. Преципитаты и включения второй фазы, присутствующие в материале подложки в количестве 102— 104 см-2, не оказывают влияния на значения полной ширины на полувысоте кривой качания. Уширение кривой качания вызвано повышенной плотностью дислокаций (>8105), либо их ячеистым характером распределения. Построены карты распределения значений полной ширины на полувысоте кривой качания для определения структурного совершенства по всей площади образцов, позволяющие проводить оценку пригодности пластин для дальнейшего технологического процесса.

Рассмотрена двойная гетероструктура на основе прямозонных полупроводников со средним слоем фотопоглощения при напряжении лавинного пробоя. Такие структуры используются при создании лавинных фотодиодов с разделенными областями поглощения и умножения (ЛФД с РОПУ). Показано, что при расчете предельно возможных характеристик ЛФД с РОПУ даже в слое поглощения необходимо учитывать ударную генерацию электронно-дырочных в пар, причем это можно выполнить аналитически.

Представлен первый отечественный матричный фотоприемный модуль (ФПМ) коротковолнового ИК-диапазона для активно-импульсных формирователей изображения. В состав ФПМ входит матрица p–i–n-фотодиодов на основе гетероструктуры InGaAs/InP формата 320×256 с шагом 30 мкм, большая интегральная схема (БИС) считывания фотосигналов, термоэлектрический охладитель и герметичный корпус с сапфировым окном. Основной особенностью ФПМ является возможность функционирования в четырех режимах: пассивный, активно-импульсный 3D, активно-импульсный 2D, асинхронный бинарный. Гибкое сочетание указанных режимов позволяет получить максимум информации о наблюдаемых объектах. Информация о дальности, формируемая в каждом пикселе ФПМ, в совокупности с яркостными сигналами, позволяет осуществить синтез 3D-изображений объектов. В работе приведены основные параметры ФПМ и примеры ИК-изображений, полученных в различных режимах функционирования. Приводятся дальнометрические расчеты в зависимости от мощности и угла расходимости лазерного излучения. Рассматриваются основные источники погрешности при вычислении разрешения по дальности.

Проведены исследования работоспособности и корректности метода измерения квантовой эффективности и темнового тока ФЧЭ матричных фотоприемных устройств, а также справедливости разработанного алгоритма расчета указанных параметров по трем измерениям выходного сигнала при разных температурах АЧТ и отличных от нуля временах накопления. Исследования проводились с помощью разработанного пакета программного обеспечения, позволяющего автоматически рассчитывать величины темновых токов ФЧЭ, величины их квантовых эффективностей, значения начальных напряжений отсчета выходных сигналов ячеек кремниевых мультиплексоров, однородность распределения указанных параметров по площади МФЧЭ, строить 2D-распределения и гистограммы параметров в заданных масштабах, определять степень дефектности МФЧЭ. Исследование корректности метода расчета квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ методом сравнения зависимости экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных выходных сигналов ФЧЭ от температуры АЧТ при заданном времени накопления показало совпадение теории и эксперимента с точностью до 2 %.

Рассмотрены особенности квантовой эффективности генерации носителей в фоточувствительном элементе при воздействии когерентного излучения. На примере гомогенного образца показано, что за счет интерференции прямого и обратного потоков фотонов квантовая эффективность при когерентном излучении колебательным образом зависит от размеров образца вдоль направления засветки, причем амплитуда колебаний монотонно уменьшается с увеличением размеров образца. Проведено сравнение со случаем некогерентного излучения.

Представлен обзор литературы по многорядным инфракрасным (ИК) фотоприемным устройствам (ФПУ) космического базирования, предназначенным для дистанционного зондирования Земли. Рассмотрены виды устройств, их назначения, основные спектральные диапазоны и принципы работы. Приведены наиболее распространенные схемы цифровых и аналоговых ячеек большой интегральной схемы (БИС) считывания фотосигналов многорядных ИК ФПУ, для каждой схемы указаны условия применимости. Рассмотрены три способа реализации режима временной задержки и накопления (ВЗН): аналоговое суммирование внутри БИС, цифровое суммирование внутри БИС, цифровое суммирование в блоке цифровой обработки. Представлены структурные либо принципиальные схемы ВЗНсуммирования. Рассмотрены наиболее распространенные топологии фоточувствительных элементов (ФЧЭ) многорядных ИК ФПУ космического базирования. Проведен анализ математических моделей многорядных ИК ФПУ.

Приведены результаты разработки и испытаний камеры коротковолнового инфракрасного диапазона спектра 0,9–1,7 мкм на основе первого отечественного матричного фотоприемного устройства формата 320256 элементов с шагом 30 мкм. Данное ФПУ создано на базе гетероструктуры InGaAs/InP и имеет пониженную температурную зависимость чувствительности. Рассмотрены основные компоненты камеры, приведены их основные характеристики. Показаны преимущества и основные области применения камеры как в составе мультиспектральных оптико-электронных систем, так и в качестве самостоятельного прибора.

Представлен обзор основных полупроводниковых материалов фотоэлектроники в инфракрасных диапазонах спектра: 1–3; 3–5 и 8–12 мкм, обеспечивающих предельные параметры фотоприемных устройств. Показаны направления развития и совершенствования новых материалов в Российской Федерации.

В работе проанализировано современное состояние исследований в области создания униполярных полупроводниковых барьерных структур на основе различных материалов для инфракрасных матричных фотоприемных устройств (МФПУ), позволяющих снизить с темновые токи и тем самым улучшить пороговые характеристики и обеспечить работу при повышенных температурах охлаждения. Рассмотрены основные пути минимизации барьера для дырок в валентной зоне на примере фоточувствительной структуры на основе КРТ n-типа проводимости. Показано, что барьерные структуры nBn-типа представляют собой альтернативу для создания матриц фотодиодных чувствительных элементов для МФПУ среднего и дальнего ИК-диапазона.