Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0134

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0134
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им.А.В.Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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 раз и/или сниженным энергопотреблением не менее чем в 2 раза и/или уменьшенными габаритами и весом не менее чем в 2 раза.
Разработка научных основ технологии выращивания наногетероэпитаксиальных P+/n структур твердых растворов теллуридов кадмия и ртути (КРТ) (фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках из кремния.
Разработка научных основ технологии выращивания эпитаксиальных структур антимонида индия (фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений InAlSb) методом МЛЭ на собственных подложках.
Актуальность и новизна исследования
Развитие фотоники привело к созданию целого ряда высокоэффективных технологий и на их базе – новых видов техники и подотраслей промышленности – таких как оптическая связь, лазерные производственные технологии, биофотоника, оптоинформатика, техническое зрение и др. Число областей применения технологий фотоники постоянно растет.
Одной из самых перспективных наукоемких технологий фотоники является тепловидение. В настоящее время стремительно растет производство и широкое внедрение тепловизионной техники во многие отрасли хозяйственной деятельности. В настоящее время тепловизоры успешно включаются в современные системы наблюдения и обнаружения, используемые в наземных и морских условиях, в авиации и космосе. Эти системы успешно используются не только для военных целей, но в различных областях для:
- охраны государственных границ и правопорядка;
- вождения транспортных средств ночью и в сложных условиях (пыль, туман, дым);
- автоматического контроля на транспорте, в машиностроении и энергетике;
- экологического мониторинга, контроля риска возникновения и прогнозирования, а также уменьшения последствий чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера;
- медицинской диагностики;
- дистанционного зондирования Земли.
Основным сдерживающим фактором широкого гражданского применения фотовольтаических тепловизионных систем являются их большие размеры, вес и энергопотребление, вызванные необходимостью охлаждения детекторов излучения до температуры жидкого азота (78К) и как следствие высокая стоимость таких систем. Кроме того, удорожание фотовольтаических детекторов происходит из-за высокой стоимости фоточувствительных материалов.
Описание исследования

Для фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений InAlSb выбрана следующая структура:

Контактный слой 1 - n-InSb, подложка (100), толщина 625 мкм, легирование Te, концентрация электронов 1–2´1018 см–3;

Поглощающий слой - In1–xAlxSb, мольная доля алюминия x £0,03, толщина 5 мкм, нелегированный;

Контактный слой 2 - p-InSb, толщина 0,4 мкм, легирование Be, концентрация дырок 1´1018 см–3.

Применение метода молекулярно-лучевой эпитаксии позволит создать структуры высокого качества с увеличенным временем жизни неравновесных носителей заряда за счет уменьшения плотности структурных дефектов. Наличие p-n перехода позволяет уменьшить темновой ток в более чем 20 раз, повысить рабочую температуру и улучшить четкость изображения за счет подавления перекрестной электрической связи фотодиодов в смотрящей матрице. Добавление до 3% алюминия в поглощающий слой приводит к понижению темнового тока примерно в 50 раз и повышает рабочую температуру фоточувствительных элементов до 100 К.

Для фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием выбрана следующая структура:

Варизонный слой - Hg1–xCdxTe;

Поглощающий слой - Hg1–xCdxTe, мольная доля кадмия 0,29 £ x £ 0,31, толщина 5 мкм, легирование In, концентрация электронов 1–10´1015 см–3 ;

Контактный слой - p- Hg1–xCdxTe, мольная доля кадмия 0,3 £ x £ 0,6, толщина 1 мкм, легирование As, концентрация дырок 1-100´1017 см–3 ;

Пассивирующий слой – CdTe, толщина 0,25 мкм, не легированный.

Расположение p-области в широкозонной части и использование примесей не образующих глубоких уровней приводит к существенному снижению темнового тока. Диоды на основе таких структур должны иметь минимальный диффузионный ток, так как в этом случае неосновными носителями являются дырки с низкой подвижностью и высоким временем жизни. Кроме того, предполагаемое отсутствие центров рекомбинации должно привести к снижению генерационно-рекомбинационного тока и тока связанного с туннелированием через ловушки. В предельном случае темновой ток p-на-n диодов на основе КРТ легированного внешними примесями на два порядка ниже, чем в случае n-на-p диодов на основе вакансионного КРТ. Для диодов на основе многослойных гетероструктурам легированным внешними примесями величины темновых токов близки к диффузионному ограничению и рабочая температура фоточувствительных элементов может достигать величины ~ 150 К.

Дополнительным преимуществом таких структур является наличие на поверхности слоя CdTe играющего роль защитного диэлектрика. Так как такой слой выращивается в едином процессе создания всей гетероструктуры, то на границе раздела CdTe-CdHgTe ожидается низкая плотность поверхностных состояний и как следствие низкая скорость рекомбинации.

Результаты исследования

Изготовлены экспериментальные образцы полупроводниковых фоточувствительных материалов из твердых растворов КРТ и проведены их исследовательские испытания. Для всех образцов время жизни неосновных носителей заряда составляла величину более 1 мкс, плотность пронизывающих дислокаций в фотопоглощающем слое была менее 2 ´ 107 см-2.и плотность V-дефектов лежала в диапазоне 730 – 990 шт/см2.

По результатам исследования C-V характеристик МДП-структур с использованием широкозонного полупроводника CdTe в качестве диэлектрика можно заключить, что последний является хорошим защитным слоем, в котором отсутствует заметный встроенный заряд и на границе раздела CdxHg1-xTe/CdTe нет заметной плотности поверхностных состояний.

Изготовлены экспериментальные образцы полупроводниковых фоточувствительных материалов из твердых растворов АИС и проведены их исследовательские испытания. Для всех образцов время жизни неосновных носителей заряда составляла величину более 0,4 мкс, плотность пронизывающих дислокаций в фотопоглощающем слое была менее 2 ´ 105 см-2 и плотность овальных дефектов для образцов лежала в диапазоне 650 – 860 шт/см2.

Экспериментальные образцы из КРТ и АИС имеют высокие квантовую эффективность и однородность состава по площади.

Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов фоточувствительных элементов, изготовленных из созданных фоточувствительных материалов из твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием. Величина темнового тока при 102 К оказалась менее 1×10-8 А/см2 и при одинаковом напряжении смещения была примерно на два порядка меньше, чем n+-p диодов на основе вакансионного слоя КРТ.

Практическая значимость исследования
Таким образом разработаны научные основы МЛЭ технологии получения фоточувствительных гетероструктур CdHgTe и AlInSb для нового поколения матричных инфракрасных фотоприемников, которые 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.