Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0055

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0055
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Название доклада
Разработка технологии выращивания методом жидкофазной эпитаксии гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типа электропроводности для фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.
Докладчик
Денисов Игорь Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели:
1. Разработка полупроводниковых фоточувствительных материалов и лабораторной технологии их получения для матричных ИК-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 (КРТ) со слоями n- и p-типа электропроводности, легированными донорной (In) и акцепторными примесями (As, Sb) для матричных ИК-фотоприемников в геометрии n/p+, а также фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного ИК-излучения, работающих при термоэлектрическом охлаждении (ТЭО).
Задачи:
— Разработать физико-химические основы легирования эпитаксиальных слоев (ЭС) КРТ примесями As и Sb в процессе выращивания методом ЖФЭ.
— Разработать технологию выращивания методом ЖФЭ гетерокомпозиций, состоящих из двух последовательно выращенных ЭС, легированных донорной (нижний слой) и акцепторной (верхний слой) примесями.
— Разработать режимы активационного отжига гетероструктур, обеспечивающих формирование n/p+ активной области на металлургической границе ЭС.
— Разработать рабочую технологическую документацию на технологию выращивания методом ЖФЭ гетероструктур КРТ со слоями n- и p-типа электропроводности для фотовольтаических приемников ИК-излучения.
— Провести испытания экспериментальных образцов n/p+ гетероструктур КРТ и изготовленных на их основе тестовых фоточувствительных элементов.
— Изготовить и провести испытания макетов фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного ИК-излучения в корпусе с ТЭО.
Актуальность и новизна исследования
Цели исследования соответствуют актуальным направлениям развития тепловизионной и ИК-техники, заключающимся в расширении областей гражданского применения, снижении стоимости приборов, уменьшении энергопотребления, улучшении массогабаритных характеристик. Для фотоприемников ИК-излучения с областью спектральной чувствительности 8 – 12 мкм основным фактором, определяющим возможности их применения, стоимость и эксплуатационные характеристики, является рабочая температура фоточувствительного элемента (ФЧЭ), которая составляет 80К. Возможности повышения рабочей температуры ФЧЭ и связанное с этим снижение нагрузки на холодильную машину, возможность ее замены на менее производительную и более компактную модификацию, а в целом ряде практических применений даже переход на термоэлектрическое охлаждение, открываются при использовании в конструкции ФЧЭ n/p+ фотодиодов, изготовленных на основе двухслойных примеснолегированных гетероструктур КРТ, которые отличаются почти на два порядка меньшими темновыми токами по сравнению с традиционно используемыми p/n+ фотодиодами.
В результате выполнения проекта впервые в России разработаны физико-химические основы легирования элементами V группы таблицы Д.И.Менделеева и технология выращивания из жидкой фазы двухслойных n/p+ гетероструктур КРТ для матричных фотоприемников и детекторов длинноволнового лазерного ИК-излучения.
Описание исследования

Разработка физико-химических основ легирования эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe акцепторными примесями As и Sb проведена на основе экспериментальных исследований коэффициентов распределения примесей  между жидкой и твердой фазами в процессах выращивания эпитаксиальных слоев методом ЖФЭ в интервале концентраций примеси от 1×1015 до 5×1017 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 проведено 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.

Разработка технологии выращивания методом ЖФЭ гетероструктур со слоями CdxHg1-xTe n- и p-типа электропроводности для ИК-фотоприемников в геометрии n/p+ проведена 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 n/p+ 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, проведена на основе экспериментов по термообработке гетероструктур в насыщенных парах ртути при различных температурах и длительности процессов с учетом разработанных физико-химических основ легирования эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe акцепторными примесями As и Sb. Оптимизация условий и режимов проведения активационного отжига проведена 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 (метод наведенных токов) и электрофизических свойств слоев в составе гетероструктуры (по эффекту Холла).

По результатам исследований разработано маршрутно-операционное описание технологии выращивания методом ЖФЭ гетероструктур CdxHg1-xTe со слоями n- и p-типа электропроводности для фотовольтаических приемников инфракрасного излучения и оформлен комплект технологической документации.

Для проведения испытаний разработанных n/p+ гетероструктур на соответствие требованиям ТЗ на ПНИ разработана Программа и методика проведения испытаний, изготовлена партия экспериментальных образцов гетероструктур. По результатам экспериментальных исследований разработаны технологические приемы (нанесение защитного покрытия, изготовление меза-диода) и изготовлены тестовые фоточувствительные элементы (ФЧЭ) из n/p+ гетероструктур, а также макеты фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного ИК-излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением. Проведены испытания ФЧЭ и макетов по разработанным Программам и методикам с целью подтверждения пригодности n/p+ гетероструктур для производства ИК-детекторов с заданными в ТЗ на ПНИ значениями обнаружительной способности.

Результаты исследования

Разработаны режимы выращивания методом ЖФЭ эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe 0,18<х<0,23 легированных In и 0,27<х<0,32 с содержанием As или Sb в интервале концентраций от 5×1016 до 5×1017 см-3.

Разработаны методики выполнения измерений глубины залегания n/p+ перехода методом наведенных токов и электрофизических свойств слоев в составе гетероструктуры (ГС) методом Холла.

Разработаны режимы активационного отжига, обеспечивающие формирование n/p+ перехода в гетероструктуре: 1) в парах Hg при 3400С в течение 5 часов, затем при 2300С в течение 60 часов; 2) в парах шихты 2,3% CdTe, 40,0% HgTe и 57,7% Те при 4000С в течение 3 часов, затем в парах Hg при 2300С в течение 48 часов.

Разработан комплект ТД 00198396.009.16 на технологию выращивания методом ЖФЭ гетероструктур CdxHg1-xTe со слоями n- и p-типов электропроводности легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма) для фотовольтаических приемников и детекторов инфракрасного излучения.

Разработаны технологические приемы (очистки поверхности, напыления CdTe, YScO3 и In, изготовления меза-структур, разделения элементов) и лабораторная технологическая инструкция по изготовлению полупроводниковых фоточувствительных элементов из гетероструктур кадмий-ртуть-теллур со слоями n- и p-типов электропроводности легированными донорной (индий) и акцепторными примесями (мышьяк, сурьма).

Разработана эскизная конструкторская документация на фоточувствительный элемент на основе n/p+ гетероструктур и макет фотовольтаического детектора длинноволнового ИК-излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением.

Изготовлены экспериментальные образцы n/p+ гетероструктур (8 шт. общей площадью152 см2) и фоточувствительных элементов на их основе (10 шт.), а также макеты фотовольтаических детекторов длинноволнового ИК-излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением (3 шт). Экспериментальные образцы и макеты детекторов выдержали испытания на соответствие требованиям ТЗ на ПНИ.

Разработан 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» и технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

По результатам испытаний макетов фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного ИК-излучения в корпусе с термоэлектрическим охлаждением достигнуты значения обнаружительной способности 1,0×108 см×Гц1/2×Вт-1 на длине волны 10,6 мкм, что соответствует характеристикам лучших зарубежных аналогов производства компаний Teledyne Judson Technologies LLC (США), Hamamatsu Photonics‎ (Япония), VIGO System S.A. (Польша). 

Практическая значимость исследования
Разработанные фоточувствительные n/p+ гетероструктуры предназначены для использования в разработках и освоении производства отечественных матричных ИК фотоприемников и тепловизоров гражданского назначения, которые находят широкое применение в самых различных отраслях экономики. Кроме того, разработанные гетероструктуры будут использованы в разработках и освоении производства отечественных умеренно охлаждаемых фотовольтаических детекторов длинноволнового лазерного ИК-излучения, которые востребованы в системах активной лазерной локации, промышленной лазерной безопасности, в медицине, в авиации, в т.ч. в беспилотной авиации и в навигационных системах, например, в системах посадки воздушных судов в непогоду по "лазерной тропе", в системах экологического мониторинга и др. отраслях экономики.
Внедрение результатов исследования обеспечит увеличение сроков эксплуатации, снижение стоимости, расширение областей гражданского применения ИК фотоприемников, разработку и производство тепловизоров нового поколения.
Результаты работ по проекту позволят индустриальному партнеру ЗАО «НПЦ «Реагент» организовать производство и выпустить на отечественный рынок фотовольтаические детекторы длинноволнового лазерного ИК-излучения, работающие при термоэлектрическом охлаждении: 2017 г.- проведение ОТР и технологическая подготовка производства; 2018 г.-освоение производства, выпуск до 1500 шт/год (15 млн.руб/год); 2019 г.- выпуск 3000 шт/год (30 млн.руб/год); 2020 г.- выпуск 6000 шт/год (60 млн.руб/год).