Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии выращивания методом жидкофазной эпитаксии гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типа электропроводности для фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
кадмий-ртуть-теллур, инфракрасный фотоприемник, жидкофазная эпитаксия, фотодиод, дальний инфракрасный диапазон, легирование, акцепторная примесь, донорная примесь, мышьяк, сурьма, индий, активационный отжиг

Цель проекта:
1 Разработка полупроводниковых фоточувствительных материалов и лабораторной технологии их получения для матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров гражданского назначения с повышенной рабочей температурой не менее чем в 1,3 раза и/или сниженным энергопотреблением не менее чем в 2 раза и/или уменьшенными габаритами и весом не менее чем в 2 раза. 2 Разработка технологии выращивания методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типа электропроводности, легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма) для матричных ИК-фотоприемников в геометрии n/p+, а также фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении.

Основные планируемые результаты проекта:
1 Основные результаты
Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие результаты проведенных исследований, обобщение и выводы по результатам ПНИ.
Комплект технологической документации на технологию выращивания методом ЖФЭ гетероструктур .
Экспериментальные образцы гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типов электропроводности.
Экспериментальные образцы полупроводниковых фоточувствительных элементов на основе гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типов электропроводности.
Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики.
Эскизная конструкторская документация на макет фотовольтаического детектора длинноволнового лазерного инфракрасного излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением.
Макеты фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением.
Эскизная конструкторская документация на фоточувствительный элемент на основе гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типов электропроводности.
Лабораторная технологическая инструкция по изготовлению полупроводниковых фоточувствительных элементов из гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типов электропроводности.
Методика выполнения измерений глубины залегания n/p+ перехода и электрофизических свойств слоев в составе гетероструктуры.
Проект технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка опытно-промышленной технологии производства гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типов электропроводности легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма) для фотовольтаических приемников и детекторов инфракрасного излучения».
2 Основные планируемые характеристики
Разработка полупроводниковых фоточувствительных материалов и лабораторной технологии их получения для матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров гражданского назначения с повышенной рабочей температурой не менее чем в 1,3 раза и/или сниженным энергопотреблением не менее чем в 2 раза и/или уменьшенными габаритами и весом не менее чем в 2 раза.
Разработка технологии выращивания методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типа электропроводности, легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма) для матричных ИК-фотоприемников в геометрии n/p+, а также фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемый в ходе ПНИ научно-технический задел ориентирован на разработку технологии выращивания и создание образцов полупроводниковых фоточувствительных гетероструктур кадмий-ртуть-теллур с примеснолегированными эпитаксиальными слоями n- и p-типов электропроводности. Разрабатываемые фоточувствительные гетероструктуры кадмий-ртуть-теллур с эпитаксиальными слоями n- и p-типов электропроводности легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма) предназначены для изготовления матричных ИК-фотоприемников в геометрии n/p+, а также фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении.
Как показывают теоретические расчеты и экспериментальные данные, полученные в зарубежных исследовательских центрах (например, CEA-LETI, Франция), использование для регистрации инфракрасного излучения фотодиодных матриц, изготовленных в геометрии n/p+, позволяет значительно повысить рабочую температуру МФПУ без ухудшения его функциональных характеристик. Этот эффект достигается за счет того, что темновые токи n/p+ фотодиодов почти на два порядка ниже темновых токов фотодиодов p/n+.
Ведущие мировые разработчики инфракрасных фотоприемников Raytheon (США), Sofradir (Франция) уже освоили промышленное производство МФПУ на основе n/p+ фотодиодов кадмий – ртуть – теллур, однако в связи с использованием этих изделий, в том числе, в вооружениях и военной технике, возможности их закупки по импорту ограничены. В России разработка n/p+ инфракрасных МФПУ не проводилась в связи с отсутствием производства необходимого фоточувствительного материала, а именно, гетероструктур кадмий – ртуть – теллур со слоями n- и p+-типов проводимости.
Еще одним актуальным направлением развития инфракрасной техники является разработка детекторов лазерного излучения. В целом ряде практических применений, связанных с детектированием и пеленгацией лазерного излучения в инфракрасном спектральном диапазоне, т. е. в случаях достаточно мощного светового потока, возможно использование неохлаждаемых или работающих при термоэлектрическом охлаждении полупроводниковых фотоприемников, которые выгодно отличаются от своих глубоко охлаждаемых аналогов низкой стоимостью, простотой исполнения, компактностью. Такие, не обремененные холодильными устройствами, изделия востребованы в различных сферах деятельности, прежде всего в оборонной промышленности, а также в промышленной безопасности, оптоэлектронике, фотонике, медицине, экологическом мониторинге, информационно-телекоммуникационных, в том числе навигационных, системах, например, в системах посадки воздушных судов в условиях ограниченной видимости по "лазерной тропе". Именно благодаря снижению требований к охлаждению и связанным с этим существенным снижением цены, рассматриваемые фотоприемники могут найти массовое применение в самых различных гражданских отраслях экономики, по сути дела везде, где в том или ином виде используется зондирование лазерным лучом. В связи с этим одной из целей ПНИ является разработка гетероструктур со слоями кадмий-ртуть-теллур легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма) для фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении.
За рубежом разработкам умеренно охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемников на основе эпитаксиальных слоев кадмий-ртуть-теллур уделяется все возрастающее внимание. К настоящему времени зарубежными аналогами рассматриваемых изделий являются фотовольтаические детекторы ИК излучения на основе твердых растворов кадмий-ртуть-теллур производства компаний Teledyne Judson Technologies LLC (США), VIGO System S.A. (Польша), однако, как и в случае охлаждаемых МФПУ, возможность их закупки по импорту затруднена, в связи возможностью использования этих изделий в военной и специальной технике. Отечественные аналоги отсутствуют.
Таким образом, актуальность исследований определяется необходимостью ликвидации отставания России от ведущих мировых держав в такой стратегически важной области экономики, как инфракрасная техника. Результаты исследования позволяют приступить к разработке и внедрению новой, инновационной технологии производства примеснолегированных n/p+ гетероструктур кадмий – ртуть – теллур для нового поколения отечественных высокоэффективных МФПУ инфракрасного диапазона спектра, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками, а также фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении.
Решение задач, сформулированных в ПНИ, проводится на основе экспериментальных исследований коэффициентов распределения акцепторных примесей (мышьяка и сурьмы) между жидкой и твердой фазами в процессах выращивания эпитаксиальных слоев кадмий-ртуть-теллур методом ЖФЭ в интервале концентраций примеси от 1×10^15 до 5×10^17 см^-3, экспериментальных исследований различных вариантов активационного отжига однослойных гетероструктур с целью перевода введенной в них акцепторной примеси в электрически активное состояние и определения условий достижения максимальной эффективности легирования. Исследование проводится при выращивании эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe фиксированных составов внутри концентрационных интервалов 0.180<х<0.230 и 0.280<х<0.320 методом ЖФЭ на подложки кадмий-цинк-теллур из растворов-расплавов на основе теллура.
Достижение целей ПНИ проводится на основе экспериментальных результатов по выращиванию однослойных гетероструктур, экспериментов по последовательному выращиванию эпитаксиального слоя легированного акцепторной примесью на эпитаксиальном слое легированном донором для формирования двухслойной гетерокомпозиции 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 режимов активационного отжига гетероструктур, обеспечивающих формирование n/p+ активной области на металлургической границе эпитаксиальных слоев, проводится на основе экспериментов по термообработке гетероструктур в насыщенных парах ртути при различных температурах и длительности процессов. Оптимизация условий и режимов проведения активационного отжига проводиться на основе исследований электрофизических свойств гетероструктур, прошедших термообработку, в том числе, с использованием разработанных в ходе выполнения ПНИ методических подходов и методики выполнения измерений глубины залегания n/p+ перехода и электрофизических свойств слоев в составе гетероструктуры.
На основе комплекса проведенных исследований будет разработана рабочая технологическая документация (без литеры) на технологию выращивания методом жидкофазной эпитаксии гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типа электропроводности для фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.
Для проведения испытаний разработанных n/p+ гетероструктур на соответствие требованиям ТЗ на ПНИ необходимо разработать Программу и методику проведения испытаний, изготовить партию экспериментальных образцов гетероструктур, разработать технологические приемы (нанесение защитного покрытия, изготовление меза-диода) и изготовить тестовые фоточувствительные элементы из разработанных гетероструктур. Необходимо также изготовить макеты фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением и провести их испытания с целью выработки требований к техническим характеристикам гетероструктур и рабочей температуре фоточувствительных элементов, обеспечивающих заданные в ТЗ на ПНИ значения обнаружительной способности детекторов.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые фоточувствительные гетероструктуры кадмий-ртуть-теллур с эпитаксиальными слоями n- и p-типов электропроводности, легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма), предназначены для изготовления матричных ИК-фотоприемников в геометрии n/p+, а также фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении.
Разрабатываемые фоточувствительные n/p+ гетероструктуры кадмий-ртуть-теллур предназначены для использования в разработках и освоении производства отечественных матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров гражданского назначения, которые находят широкое применение в медицине, строительстве, экологическом мониторинге, системах промышленной безопасности, научных исследованиях и во многих других отраслях промышленности.
Использование разработанных n/p+ гетероструктур позволит создавать матричные фотоприемники с рабочей температурой на 15 – 20 градусов выше, чем у традиционно используемых, что позволит увеличить срок службы фотоприемных устройств на 30 % за счет увеличения ресурса работы систем криогенного охлаждения.
Еще одной областью применения разрабатываемых фоточувствительных гетероструктур кадмий-ртуть-теллур с примеснолегированными эпитаксиальными слоями n- и p-типов электропроводности является их использование в разработках и освоении производства отечественных умеренно охлаждаемых фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного инфракрасного излучения, которые востребованы в системах активной лазерной локации, промышленной лазерной безопасности, в медицине при лазерной диагностике, терапии и хирургии, в авиации, в том числе в беспилотной авиации и в навигационных системах, в системах экологического мониторинга и других отраслях экономики.
Результаты работ по проекту позволят организовать производство и выпустить на отечественный рынок матричные ИК-фотоприемники в геометрии n/p+ с повышенной рабочей температурой и фотовольтаические детекторы длинноволнового лазерного ИК-излучения, работающие при термоэлектрическом охлаждении.

Текущие результаты проекта:
Выполнены работы по этапам 1 и 2 ПНИ.
В 2015 г. в соответствии с КП проведения ПНИ проведено исследование химического состава эпитаксиальных слоев (ЭС) кадмий-ртуть-теллур (КРТ), выращенных из растворов-расплавов на основе теллура с известным содержанием As и Sb. Определены значения коэффициентов распределения As (KAs=0,001) и Sb (КSb=0,008) в процессах ЖФЭ КРТ. Разработаны режимы выращивания методом ЖФЭ ЭС КРТ с заданным содержанием As или Sb в интервале концентраций от 5×10^16 до 5×10^17 см^-3.
Проведена экспериментальная проверка и корректировка разработанных режимов легирования ЭС КРТ.
Разработаны методические подходы к исследованию глубины залегания n/p+ перехода и электрофизических свойств слоев в составе гетероструктуры.
Проводятся исследования влияния термообработки на электрофизические свойства ЭС КРТ, легированных акцепторной примесью. Установлено, что термообработка при температуре 230°С в течение 48 ч не приводит к достижению требуемых электрофизических характеристик слоев.
Разрабатываются режимы активационного отжига акцепторной примеси в ЭС КРТ, обеспечивающие максимальную эффективность легирования, и физико-химические основы легирования ЭС КРТ акцепторными примесями в процессе выращивания методом ЖФЭ.
Проводятся дополнительные патентные исследования. Подготовлена заявка на изобретение, направлены в печать две статьи по результатам ПНИ.