Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных основ технологии выращивания наногетероэпитаксиальных P+/n структур узкозонных полупроводников методом молекулярно-лучевой эпитаксии для матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров

Докладчик: Якушев Максим Витальевич

Должность: Ведущий научный сотрудник, доцент, д.ф.-м.н.

Цель проекта:
1. Разработка технологии получения методом молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых фоточувствительных гетероструктур КРТ и InAlSb для матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров 2. Проект направлен на разработку технологии выращивания полупроводниковых фоточувствительных гетероструктур. Одним из основных этапов проекта является разработка структуры фоточувствительного слоя, который определяет фотоэлектрические характеристики диодов изготовленных на его основе, позволяет исключить генерационо-рекомбинационную компоненту темнового тока, а также уменьшить величину диффузионной компоненты. Разрабатываемая технология обеспечит появление новых конструкций ИК фотодиодов, снижение темновых токов ИК фотодиодов, повышение рабочей температуры ИК фотодиодов. Новое поколение матричных инфракрасных фотоприемников на разработанных гетероструктурах будет иметь повышенную рабочую температуру не менее чем на 30%, что приведет к снижению энергопотребления – не менее чем в 2 раза, габаритов и веса – не менее чем в 2 раза. В конечном итоге это позволит снизить себестоимость ИК фотоприемных устройств, и тем самым расширить гражданское применение фотовольтаических тепловизионных систем.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта предстоит решить следующие задачи:
- Разработать физико-химические основы легирования узкозонных эпитаксиальных слоев КРТ внешними примесями в процессе выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии и ионной имплантации.
- Разработать технологические основы выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии многослойных структур КРТ, включающих слои электронного и акцепторного типа проводимости, а так же пасивирующее покрытие на основе широкозонных полупроводников А2В6.
- Разработать технологические основы формирования P+/n переходов в многослойных гетероструктурах КРТ.
- Разработать технологические основы выращивания нелегированных слоев InSb методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
- Разработать технологические основы выращивания нелегированных гетероструктур, состоящих из слоев InAlSb с содержанием алюминия от 0 до 3%, выращенных на буферном слое InSb, методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
- Разработать технологию модулированного легирования слоев InAlSb, обеспечивающих формирование P+/n активной области.
- Провести испытания экспериментальных образцов P+/n гетероструктур кадмий-ртуть-теллур и P+/n слоев InAlSb и изготовленных на их основе тестовых P+/n фотодиодов с целью определения пригодности разработанного материала для изготовления матричных инфракрасных фотоприемников.
Решение первой задачи планируется провести на основе изучения зависимостей концентрции легирующей примеси и носителей заряда от режимов работы источника легирующей примеси при проведении процессов МЛЭ и установлении основных закономерностей, определяющих пространственное распределение электрофизических характеристик в P+/n структурах КРТ, сформированных ионной имплантацией
Решение второй из поставленных задач будет проводиться на основе экспериментальных результатов по выращиванию многослойных гетероструктур с использованием эллипсометрического in situ контроля и исследований свойств выращенных гетерокомпозиций с целью определения условий проведения технологического процесса, обеспечивающих выполнение требований к техническим характеристикам разрабатываемых гетерокомпозиций, заданным в ТЗ на ПНИ
Разработка технологических основ формирования P+/n переходов, будет проводиться на основе экспериментов по термообработке гетероструктур в насыщенных парах ртути и в условиях регулируемого давления паров ртути при различных температурах с учетом результатов, полученных при решении первой из поставленных задач. Оптимизация условий и режимов проведения активационного отжига будет проводиться на основе исследований электрофизических свойств гетероструктур, прошедших термообработку, в том числе, с использованием разработанных в ходе выполнения проекта методических подходов и проекта методики измерения профиля пространственного распределения электрофизических характеристик КРТ P+/n структур. Так же планируется провести изучения источников возможного загрязнения структур кадмий-ртуть-теллур и минимизации концентрации фоновых примесей в них с целью исключения неконтролируемого легирования эпитаксиальных слоев при проведении процессов активационного отжига.
Для решения задач по созданию фоточувствительного материала на основе InAlSb будут проведены исследования по влиянию способов подготовки подложки и условий роста слоев (температуры подложки, абсолютной величины и соотношения потоков элементов 3-ей и 5-ой группы) и концентрации легирующей примеси (бериллия) на морфологию, кристаллическое совершенство и электрофизические свойства слоев. Для анализа процессов роста будет использоваться in situ метод дифракции быстрых электронов на отражение. Для контроля структурных свойств слоев будут использоваться возможности Центра коллективного пользования "Наноструктуры". Электрофизические характеристики структур, заданные в ТЗ на ПНИ, будут контролироваться с помощью измерения эффекта Холла, вольт-фарадных характеристик и нестационарной фотопроводимости.
Для проведения испытаний разработанных P+/n гетероструктур на соответствие требованиям ТЗ на ПНИ и пригодности для изготовления матричных инфракрасных фотоприемников будет разработана Программа и методика проведения испытаний, изготовлена партия экспериментальных образцов гетероструктур, разработаны технологические приемы и изготовлены тестовые P+/n диоды различной архитектуры, проведены испытания экспериментальных образцов и тестовых P+/n диодов по разработанной Программе.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые полупроводниковые фоточувствительные материалы и технологии их получения должны обеспечить качественный прорыв в развитии отечественного материаловедения полупроводниковых фоточувствительных материалов и производственно-технологической базы предприятий, производящих полупроводниковые фоточувствительные материалы и изделия на их основе, обеспечить условия для успешного решения ряда проблем в различных отраслях народного хозяйства, создать условия для эффективного импортозамещения.
Учитывая, что, по данным компании SOFRADIR (Франция), объем рынка тепловизионных систем составляет свыше 100 млрд долларов США и постоянно растет, результаты разработки могут найти применение как в качестве заместителей традиционных фотоприемных устройств, так и в новых сегментах рынка, куда ранее фотовольтаические тепловизионные системы не могли войти из-за высокой себестоимости и больших эксплуатационных издержек.
Новое поколение матричных тепловизионных приборов на основе разрабатываемых фоточуствительных материалов будут иметь высокую температурную чувствительность в сотые и даже тысячные доли градуса, высокую пространственную разрешающую способность и работать в режиме реального времени на кадровых частотах более 25 Гц.
В настоящее время тепловизионные приборы применяются в различных отраслях:
Электроэнергетика
В энергетике термография может применяться по всему циклу производства и распределения электроэнергии от электростанций и высоковольтных линий электропередач до технологического оборудования подстанций, и потребителей электроэнергии. Термограмма быстро и четко укажет на возникшие неполадки задолго до того, как они превратятся в крупные эксплуатационные проблемы, потому что контроль проводится в реальных условиях эксплуатации. А измерения являются бесконтактными. Ранее обнаружение неисправностей дает лучшие возможности для проведения ремонтных работ и заказа запасных частей.
Энергосбережение
Термографические обследования позволяют экономить энергоресурсы и снизить тепловые потери. Применение ИК-методов контроля для выявления дефектов зданий и крыш и их своевременного ремонта, прежде чем будет нанесен серьезный ущерб, играет важную роль в повышении энергетической эффективности сооружений и позволяет защитить капиталовложения в оборудование и материалы. Термография облегчает выявление конденсации влаги, дефектных бетонных панелей, утечек тепла из швов зданий, нарушений в системе отопления и дает возможность локализовать дефект и принять необходимые меры по его устранению.
Промышленность
Методом инфракрасной термографии можно обследовать состояние огнеупорной футеровки, изоляции печей периодического и непрерывного действия, термических, сушильных, обжигательный печей, котлов, ковшей, горячих цистерно-хранилищ, изолированных трубопроводов. Эффективную помощь может оказать инфракрасная дефектоскопия при обнаружении утечек в паропроводах, дефектов изоляции и парораспределительных сетях, а также при картировании течей в подземных трубопроводах. Кроме того, термография позволяет оценить состояние главного и вспомогательного оборудования нефте- и газоперекачивающих станций.
Машиностроение
К числу видов оборудования, контролируемых инфракрасными методами, относятся: зубчатые передачи, валы, муфты, клиновые ремни, шкивы, цепные приводы, конвейеры, воздушные компрессоры, вакуумные насосы. Особые преимущества инфракрасной термографии при контроле механического оборудования заключается в экономии времени, так как установив местоположение перегретых участков можно быстро определить потребность в профилактике или ремонте. Используя термографию вместе с методами исследования вибрацией и ударно-импульсной дефектоскопией можно существенно расширить эффективность контроля.
Неразрушающий контроль
Применение термографии в неразрушающем контроле позволяет решать многие задачи по выявлению дефектов, которые невозможно обнаружить другими методами. Такими примерами могут служить: контроль цементных печей без остановки производства, поиск непроклеев в сотовых конструкциях панелей солнечных батарей, диагностика лопаток турбин авиационных двигателей, выявление микротрещин и несплошностей структуры материалов. Термоконтроль позволяет найти дефекты, которые не обнаруживаются при использовании других методов контроля.
Электроника
Использование методов термографии в электронике позволяет выявлять дефекты печатных плат, оценивать нагрев рабочих элементов при различных нагрузках, находить замыкания, определять неисправные элементы и места высоких переходных сопротивлений. Термоконтроль позволяет моделировать и создавать высокопродуктивные системы охлаждения, а также оценивать эффективность их работы. Применение теплового метода контроля дает возможность быстро и качественно проверить работоспособность печатной платы или микросхемы и экономит время и капиталовложения.
Аэротермосъемка
Аэротермоконтроль объектов городского хозяйства дает возможность диагностировать состояние подземных тепловых сетей с выявлением предаварийных участков, оценить энергопотери через крыши зданий, выявить источники загрязнения. Термокартирование земной поверхности с воздуха позволяет осуществлять мониторинг территории и природных объектов, экологический мониторинг окружающей среды, проводить оперативную экспертизу и диагностику динамики развития стихийных бедствий, аварий и катастроф, фиксировать районы пожаров и оценить масштабы бедствия, обнаруживать подземные очаги возгорания.
Здравоохранение
Термография – хорошо известный диагностический инструмент, который позволяет обнаружить патологию, основываясь на отклонениях распределения температуры по поверхности тела человека. А главное, такое обследование совершенно неинвазивно. Информация, получаемая методами традиционной термографии, может быть существенно расширена путем применения динамического инфракрасного термокартирования, которое обеспечивает исследования развития термоактивного процесса во времени. Это значительно повышает диагностические возможности метода, особенно на ранних стадиях развития заболеваний.

ОАО «Швабе-Фотосистемы» (г. Москва) заинтересованы в проведении прикладных научных исследований по теме «Разработка научных основ технологии выращивания наногетероэпитаксиальных P+/n структур узкозонных полупроводников методом молекулярно-лучевой эпитаксии», а также последующем использовании результатов работы для их внедрения в производство и коммерциализации.
ФГУП «ЦНИИмаш» (г. Королев, МО) планирует использовать результаты данных прикладных научных исследований при создании перспективных систем дистанционного зондирования Земли.
ОАО «ЭЛСИ» (г. В.-Новгород) планирует использовать результаты данных прикладных научных исследований при создании перспективных оптико-электронных систем.
ФГБУН «Институт оптики атмосферы» и ООО "НТП ИПЦ" (г. Томск) планирует использовать результаты данных прикладных научных исследований при создании перспективных систем дистанционного зондирования нефти и газо- проводов.
Стратегия использования результатов работ и выхода на рынок предполагает проведение опытно-технологических работ для разработки промышленного регламента производства фоточувствительных материалов и проведение опытно-конструкторских работ с целью разработки промышленного регламента производства матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров гражданского назначения. Разработанные технологии будут передаваться Индустриальному партнеру - ОАО «Швабе-Фотосистемы» (г. Москва) и другим заинтересованным предприятиям-производителям систем тепловидения по лицензионному договору.
В процессе выполнения ПНИ предполагается регулярная передача экспериментальных образцов фоточувствительных материалов и экспериментальных образцов фоточувствительных элементов Индустриальному партнеру - ОАО «Швабе-Фотосистемы» (г. Москва) – для проверки соответствия разрабатываемых технологий промышленному производству и маркетинговым ожиданиям.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, и проведены патентные исследования.
Обоснована и выбрана конструкция инфракрасного фоточувствительного элемента, обеспечивающего повышенную рабочую температуру.
Разработан состав и структура полупроводниковых фоточувствительных материалов.
Выбраны методы измерения функциональных свойств полупроводниковых фоточувствительных материалов.
Проводятся экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием.