За последние несколько лет достигнут значительный прогресс в изготовлении матричных фотоприемных устройств инфракрасного диапазона спектра (ИК ФПУ) на основе антимонидов. Наибольшее развитие получили ИК ФПУ на InSb, однако они имеют ряд недостатков, одним из которых является эффективная работа только в средневолновом ИКдиапазоне спектра. Использование «бариодных» структур на основе эпитаксиальных слоев (ЭС) InAsSb позволяет полностью перекрыть весь средний ИК-диапазона спектра и значительно снизить уровень темновых токов в сравнении с InSb. Одними из наиболее перспективных материалов для ИК ФПУ являются напряженные сверхрешетки II типа на основе антимонидов, основными преимуществами которых являются относительно просто настраиваемый рабочий диапазон от 3 до 32 мкм, а также значительно подавленная Ожерекомбинация, что в теории может позволить изготовить устройство с параметрами, превосходящими аналогичные устройства на основе твердых растворов кадмий-ртутьтеллур. Тем не менее, на данный момент остается ряд нерешенных проблем в технологии изготовления данных устройств, поэтому их потенциал еще полностью не реализован. В данной статье представлен сравнительный анализ и текущее состояние материалов на основе сурьмы, используемых для изготовления ИК ФПУ. Показаны причины повышенных темновых токов в данных устройствах и пути их снижения, а также рассмотрены перспективы использования в мультиспектральных устройствах.
Исследованы параметры многорядных фотоприемных устройств (ФПУ) на основе гетероэпитаксиальных структур HgCdTe различного формата 288×4; 480×6; 576×4; 576×6 и др. с шагом от 28 до 14 мкм. Благодаря выбору N+/P-/р-архитектуры, ФПУ функционируют при повышенных температурах в режиме временной задержки и накопления, с реализацией аналогового режима ВЗН и замещением дефектных элементов непосредственно в БИС считывания. ФПУ обладают возможностью формирования изображения высокой четкости формата 768×576 пикселей при кадровой частоте 50 Гц в режиме реального времени. Для многорядных ФПУ получены высокие фотоэлектрические параметры: обнаружительная способность в максимуме спектральной чувствительности D* 5×1012 см Вт-1 Гц1/2 при температурах Т ~170-200 К, количество годных каналов не менее 99,0 %.
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.
Comparative analysis of splash of intrinsic photoconductivity of semiconductors with increasing concentration of recombination centers has been analyzed at low-level uniform and nonuniform illumination along of the electric field. Equation describing distribution of concentration of nonequilibrium charge carriers has been derived outside approximation of quasi-neutrality for arbitrary light beam profile along of the electric field. It follows from equation that due to photoinduced space charge, the splash of photoelectric gain in photoconductors under illumination perpendicular and along of the electric field should differ significantly at any conditions of recombination on current contacts. If photogeneration of charge carriers is nonuniform, then, unlike uniform photogeneration, the splash of photoelectric gain depends on the polarity of applied voltage. Note, that approximation of quasi-neutrality is insensitive to polarity. An analytical expression is derived for maximum value of electron photoelectric gain depended on concentration of recombination centers in the case of exponential photogeneration profile and sweep-out effect on contacts. Found relation between concentrations of nonequilibrium electrons and holes allows deriving an analytical expression for maximum value of hole photoelectric gain.
В работе представлены результаты моделирования времени жизни в узкозонных полупроводниковых слоях HgCdTe р- и n-типа проводимости в соответствии с механизмами рекомбинации Оже, излучательным и Шокли-Рида-Холла, используя эмпирические формулы Битти, Ландсберга и Блакемора (BLB), выведенные на основе kp модели Кейна с заданными начальными параметрами. Для структур HgCdTe р-типа проводимости состава x = 0,22 мол. дол., выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках CdZnTe, методом приближения экспериментальных и теоретических данных рассчитаны характеристические коэффициенты |F1F2| и , значение которых находится в хорошем соответствии с аналогичными работами. Проведена оценка расположения энергетического уровня ловушек в запрещенной зоне материала р-типа проводимости.
Из решения уравнения непрерывности для одномерной модели р–n-перехода с граничными условиями, определяющими поведение концентрации неосновных носителей заряда и тока на границах раздела областей р- и n-типа проводимости, получена зависимость произведения R0A от длины волны и температуры. Проведено сравнение влияния характерных для материала HgCdTe механизмов рекомбинации (излучательной, поверхностной, Оже, Шокли-Рида-Холла), на параметры фотодиодов. Показано, что параметры фотодиодов в большей степени зависят от механизмов рекомбинации Оже и ШРХ, при этом рекомбинация ШРХ в области объемного заряда дополнительно уменьшает произведение R0A более чем в 3 раза по сравнению с рекомбинацией Оже, а поверхностная рекомбинация на границе раздела области поглощения уменьшает произведение R0A на 1,5 порядка. Предложены рекомендации по улучшению технологии изготовления фотодиодов на основе HgCdTe, которые заключаются в усложнении архитектуры фоточувствительного элемента (ФЧЭ) и улучшение качества границ раздела между слоями.
Разработана конструкция и изготовлены матричные ФЧЭ форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм с длинноволновой границей чувствительности по уровню 0,5 около 9,5 мкм. Средняя величина R0А фотодиодов по всему массиву матрицы равна 100 Ом см2. Разработаны схема и топология, по которым изготовлены матричные высокоскоростные мультиплексоры форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм, обеспечивающие рабочие режимы на тактовой частоте до 20 МГц. Методом гибридной сборки на индиевых столбах изготовлено матричное ФПУ форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм с параметрами: средняя величина NETD < 30 мК, количество работоспособных элементов > 97 %. Использование мезатравления для разделения отдельных фотодиодов снижает фотоэлектрическую связь и обеспечивает высокое пространственное разрешение матричного ФПУ, равное 11,25 штр/мм. Представлены примеры использования системы микросканирования для снижения дефектных пикселов в кадре изображения и/или увеличения формата кадров до 768576. Показано, что в результате использования микросканирования в тепловизионном канале на основе разработанного ФПУ при переходе к формату 768576 получено улучшение пространственного разрешения в 1,4 раза при одинаковой величине минимально разрешаемой разности температур (МРРТ), а МРРТ на частоте 0,44 мрад-1 уменьшается с 1,6 К до 0,9 К по сравнению с исходным форматом 384×288.
Рассмотрены основные механизмы Оже-рекомбинации и рассчитаны скорости генерациирекомбинации и времена жизни в зависимости от состава и температуры в материале HgCdTe р- и n-типа проводимости на основе модели Битти–Ландсберга–Блэкмора (Beattie– Landsberg–Blakemore (BLB). Определены пороговые значения энергии, требуемые для процессов рекомбинации по механизмам Оже-1, Оже-7 и Оже-3. Проведена оценка темновых токов и обнаружительной способности в узкозонных полупроводниковых структурах HgCdTe с учетом фундаментальных Оже-механизмов.
Созданы и исследованы матрицы ультрафиолетовых фотодиодов, чувствительные в ближнем ультрафиолетовом диапазоне спектра 0,2–0,4 мкм на основе гетероэпитаксиальных структур AlxGa1-xN (ГЭС AlGaN). ГЭС AlGaN выращивались методами осаждения из металлоорганических соединений (MOVPE) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) на сапфировых подложках. Для уменьшения структурных дефектов исследовалось состояние поверхности и приповерхностного слоя эпиполированных сапфировых подложек, отрабатывалась технология их финишной обработки. Матрицы ультрафиолетовых фотодиодов в структурах ГЭС AlGaN изготавливались методом ионного травления. Проведено моделирование составляющих темнового тока для фотодиодов на основе нитридов алюминиягаллия. Рассчитаны основные составляющие темнового тока, такие как генерационнорекомбинационный, шунтирующей утечки, прыжковой проводимости, Пула–Френкеля. Показана возможность достижения фотоэлектрических параметров на уровне лучших зарубежных аналогов.
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 (3109 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 4,510-4 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 640512 элементов с шагом 25 мкм, обеспечивающие рабочие режимы на тактовой частоте до 10 МГц. Методом гибридной сборки на индиевых столбах изготовлено матричное ФПУ форматом 640512 элементов с шагом 25 мкм. Лучшие образцы ФПУ характеризуются следующими параметрами: средняя величина NETD < 13 мК, количество работоспособных элементов > 99,5 %.