Статья: Современное состояние и перспективы инфракрасной фотоэлектроники (2009)

Представлены результаты сравнительного анализа современного состояния и тенденций в разработке и применении оптических материалов — кварца и флюорита в проекционных оптических системах 193-нм литографических установок для производства сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Показано, что плавленый кварц и его модифицированные формы занимают доминирующую роль в качестве основного оптического материала и обладают большими потенциальными возможностями для создания современных и перспективных установок 193-нм иммерсионной литографии. Отмечена тенденция уменьшения процентного содержания флюорита в общем объеме оптических материалов проекционных объективов за счет использования новых технических решений и методов проектирования.

Рассмотрен активно-импульсный прибор ночного видения для работы в области спектра 0,9 – 1,7 мкм. Поиск и обнаружение объекта наблюдения в пассивном режиме обеспечивается на дальности, равной предельной дальности распознавания при работе прибора в активно-импульсном (АИ) режиме в широком диапазоне изменения внешних условий. Дальность распознавания автомашины составляет 2 км, угол поля зрения в пассивном режиме равен 6x3°, в АИ-режиме — 1x0,5°, точность измерения дальности ±5 м, масса — не более 15 кг, энергопотребление — не более 15 Вт при питании постоянным током напряжением 12 В.

Приведена нагрузочная характеристика, полученная в результате полета криогенного излучающего холодильника в составе спутника “Электра-1”. Проведено физическое и математическое моделирование распределения температур в холодильнике. Найдено оптимальное соотношение размеров радиаторов, при которых достигается наибольшая хладо-производительность.

Исследованы структура и оптические свойства эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х=0,02—0,04), выращенных на подложках BaF2 (111) методом конденсации молекулярных пучков в вакууме 10-4 Па. Определены оптимальные условия получения структурносовершенных (W½ = 90—100″) эпитаксиальных пленок с различным химическим составом, легированных галлием (≤ 0,8 ат. %). Показано, что край спектральной зависимости коэффициента оптического поглощения исследуемых пленок варьируется посредством изменения х и смещается в сторону коротких длин волн, что объясняется возрастанием ширины запрещенной зоны твердых растворов Pb1-xMnxSe c увеличением содержания марганца.

Предложена технология инфракрасных (ИК)-детекторов, основанная на монолитных интегрированных ИК-матрицах фокальной плоскости, которая может стать заменой традиционной технологии гибридных матриц фокальной плоскости. Исследованы критические вопросы, касающиеся выращивания слоев HgCdTe на кремниевой считывающей интегральной схеме (ИС) и создания монолитных матриц фокальной плоскости: 1 — модель кремниевой считывающей ИС и макеты матриц фокальной плоскости; 2 — устойчивость считывающей ИС к высокотемпературному отжигу в вакууме; 3 — низкотемпературная очистка Si(310)-подложек; 4 — рост слоев CdTe и HgCdTe в окнах вскрытых в диэлектрике, нанесенном на поверхность Si(310); 5 — создание меза-структуры и соединяющих контактов. Полученные результаты показывают, что монолитное интегрирование ИК-матриц фокальной плоскости на основе HgCdTe на кремниевую считывающую ИС является вполне осуществимым процессом.

Разработана методика количественной оценки оптической чистоты полированной поверхности селенида цинка. Основу методики составляет компьютерное распознавание дефектов на микрофотографиях поверхности, что позволяет построить их функции распределения по размерам и определить качество полирования согласно ГОСТ 11141—84.

Впервые получена и исследована матричная структура 200x200 термопневматических микромеханических преобразователей (ячеек Голея) в составе неохлаждаемого приемника ИК-излучения с оптоэлектронной системой считывания. Элементы диаметром 100 мкм сформированы на подложке ZnSe и заполнены ксеноном. В качестве поглощающего слоя использовались слои SiO2 с полосой поглощения 8—14 мкм. При использовании оптики ƒ/1 температурная чувствительность составляла 0,15 К/Гц1/2; мощность, эквивалентная шуму, 10 нВт/Гц1/2; время срабатывания — менее 30 мс.

Приведены результаты первых исследований по созданию полупроводниковых фоточувствительных структур на фианите. Отработаны этапы технологии создания полупроводниковых фотоприемников с защитными пленками ZrO2 (аналогами фианита). На основе измерений пробных образцов показана перспективность использования пленок ZrO2 для полупроводниковых фотоприемников.

Рассмотрен блок электронной обработки сигналов, предназначенный для работы с матричным фотоприемным устройством (МФПУ) формата 256x256 элементов спектрального диапазона 3—5 мкм на основе фотодиодов из InSb.

Рассмотрены перспективы использования фианита в фотоэлектронике. Показано, что этот материал особенно актуален в технологии фотоприемников на основе Ge, InGaAs. Указаны основные направления использования фианита в качестве защитного и стабилизирующего слоев подложки для эпитаксиальных слоев InGaAs и как диэлектрик в структуре “полупроводник на диэлектрике”, где полупроводником является InGaAs.

Представлены результаты исследования многослойной системы на основе эпитаксиальной пленки HgCdTe с тонкими слоями CdTe, ZnTe. Структуры характеризуются отсутствием гистерезиса, низкой плотностью встроенного заряда и плотностью поверхностных состояний Nss<3·1010 см-2-эВ-1. Такая система близка по ряду характеристик к структурам металл—диэлектрик—полупроводник (МДП) и представляется перспективной для создания многоэлементных ИК ФПУ на основе КРТ.

Приведены результаты экспериментального обследования различных линейчатых и матричных гибридных модулей и инфракрасных (ИК) систем (матричного термографа с температурным разрешением 4—8 мК, ИК-микроскопа с пространственным разрешением 3—4 мкм, быстродействующего спектрографа ∼104 спектр/с) на основе InAs ПЗИ-прием-ников излучения. Достигнутые параметры для тепловизионных систем данного диапазона являются близкими к предельно достижимым.

Рассмотрены системные и схемотехнические решения построения интегрированных с устройствами считывания адаптивных многоканальных устройств предпроцессорной обработки сигналов как в аналоговой, так и в цифровой форме. Приведены экспериментальные результаты обследования многоканальных устройств считывания с предпроцессорной обработкой сигналов и ИК ФПУ на их основе.

Проведены исследования механизмов токопереноса фотодиодов типа n+-n–-p и n+-p, полученных при ионном легировании бором гетероэпитаксиальных слоев (ГЭС) теллурида кадмия и ртути (КРТ) р-типа проводимости, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Результаты моделирования характеристик токопереноса при Т = 77 К показали, что темновой ток изготовленных фотодиодов типа n+-n–-p лимитируется диффузионным током в переходе и током через уровень ловушек донорного типа в запрещенной зоне с энергией Et = 0,7 Eg.

Приведен сжатый анализ докладов XX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Обсуждены отдельные доклады по тепловидению, фокальным матрицам, проблемам терагерцового диапазона ИК-спектра, системам обработки информации с фокальных матриц и системам охлаждения приборов, вопросам конструирования электронно-оптических систем, материаловедению для фотоэлектроники, в том числе нанотехнологиям, физическим явлениям и метрологическим проблемам фотоэлектроники и др.

Проведен анализ общих уравнений движения и набора вариационных параметров, необходимых для теоретического исследования движения семейства заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

В связи с работами Н. Д. Наумова обсуждаются проблемы получения и интерпретации точных решений уравнений пучка, реализации конечного фрагмента рассчитанного течения, а также приближенные модели, использование эталонных точных решений при исследовании общетеоретических вопросов.

Исследуется влияние различных методов физической обработки образцов из сплава титана ВТ-1-0, применяемого в медицинских целях, на рост биологических клеток костного мозга на их поверхности. Использованы следующие методы обработки сплава: механический дробеструйный, ионно-плазменного травления и метод микроплазменных разрядов. Установлено, что все методы демонстрируют высокую скорость роста новых клеток и колоний клеток на их поверхности при одинаковых условиях среды выращивания. Полученные результаты могут быть использованы для усовершенствования технологии обработки медицинских сплавов и изделий из них для применения в хирургической медицине и ортопедической стоматологии.

Методом моделирования исследованы начальные стадии барьерного разряда (БР) в коротком воздушном промежутке при атмосферном давлении с учетом сильно неоднородного поля, создаваемого остаточными поверхностными зарядами на диэлектрических поверхностях. Результаты расчета двухмерной динамики излучения разряда согласуются с результатами экспериментов.

Теоретически исследована генерация гармоник сильного высокочастотного поля излучения в частично ионизованном газе в процессе ударной ионизации атомов осциллирующими электронами. Рассмотрены поля в условиях, когда энергия осцилляций электрона в поле излучения намного превосходит потенциал ионизации атома, но все еще остается нерелятивистской. Кроме того, поле излучения считается малым по сравнению с атомным полем (Ea = 5,1·109В/см), что позволяет пренебречь полевой ионизацией атомов и учитывать лишь ударную ионизацию атомов газа осциллирующими электронами. В этих условиях в индуцированном в плазме нелинейном токе наряду с упругим рассеянием электронов существенный вклад может внести неупругое рассеяние осциллирующих электронов, сопровождающееся ионизацией атомов газа. Проведено сравнение эффективностей генераций гармоник поля при указанных механизмах упругого и неупругого рассеяний электронов в частично ионизованном газе.

Рассмотрена возможность люминесцентного анализа для определения фазового состава диоксида циркония. Установлено, что спектры фото- и рентгенолюминесценции диоксида циркония моноклинной и кубической модификации не имеют характерных особенностей. По данным термостимулированной люминесценции, возможно идентифицировать различные фазы диоксида циркония.

Проведено исследование трехслойного термоэлектрического преобразователя (ТЭП) из сплавов SiGe. Рассмотрена математическая модель ТЭП, которая дает возможность учитывать влияние теплообмена на тепловыделяющие и теплопоглощающие спаи ветви термоэлемента. Получено распределение температуры в поперечном сечении ТЭП. Определены распределения температур для термоэлектрического материала Т3(y) и коммутационных пластин Т1(y), Т2(y).

Предложен новый механизм генерации жесткого рентгеновского излучения (ЖРИ) при взаимодействии атомарных кластеров с интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами. Электроны, вылетевшие из кластера в результате внешней ионизации, могут вновь попасть внутрь другого кластера, взаимодействуя с кулоновским полем положительно заряженного кластера, созданным внешней ионизацией. При переходе из непрерывного спектра в основное состояние в этом поле электроны испускают спонтанно фотоны с энергией в несколько килоэлектронвольт.