ФЦП, Сведения о ходе выполнения проекта

Разработка технологии получения фоточувствительных материалов и многоэлементных фотоприемников на их основе для спектральных областей 2.5-3.5; 2.5-4.5; 2.5-5.5 мкм на основе диодных гетероструктур из твердых растворов арсенида индия”. “ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»”

Этап1. Выбор направления исследований, теоретическое рассмотрение поставленных задач - результаты работы

Этап2. Экспериментальные исследования фоточувствительных материалов, одно- и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм - результаты работы

Этап3. Экспериментальные исследования фоточувствительных материалов, одно- и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм - результаты работы

Этап4. Экспериментальные исследования фоточувствительных материалов и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-5.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм - результаты работы

Этап5. Экспериментальные исследования многоэлементных фотоприемников с характерными размерами одиночного элемента не более 50 мкм. Обобщение и оценка результаты работы

Этап1. Выбор направления исследований. Теоретическое рассмотрение поставленных задач - результаты работы.

- выполнен обзор и анализ современной научно-технической литературы, включая патентные исследования и показано, что во-первых: тема ПНИ находится в общем русле поисковых исследований, направленных на разработку новых фоточувствительных материалов и получения приемников на их основе; во-вторых, существующий у авторов уровень патентной защиты, достаточен для производства в России фотоприемников на основе проведенного ПНИ;

- обоснован выбор конструкции инфракрасных фоточувствительных материалов в виде одиночных или двойных гетероструктур InAs(SbP)/InAsSbP, выращиваемых на сильнолегированной подложке арсенида индия;

- обоснован выбор конструкции фоточувствительного элемента "флип-чип" конструкции с вводом излучения через сильнолегированную подложку;

- разработан лабораторный метод эпитаксиального роста экспериментальных образцов полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений A3B5 с пассивирующим покрытием и проведены экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста фоточувствительной гетероструктуры;

- показана возможность контролируемого выращивания эпитаксиальных слоев с заданной степенью рассогласования и, таким образом, управляемым структурным совершенством слоев;

- разработана методика постростовой обработки, необходимая для изготовления образцов фотодиодов предложенной конструкции;

- разработаны конструкции фоточувствительных элементов: одноэлементного и многоэлементного с характерными размерами одиночного элемента 200 мкм и максимальной размерностью 8*8 элементов;

- разработаны конструкции фотоприемных устройств на основе одно- и многоэлементных приемников с характерными размерами одиночного элемента 200 мкм и максимальной размерностью 8*8 элементов;

- разработаны методики корпусирования образцов одно- и многоэлементных приемников с характерными размерами одиночного элемента 200 мкм и максимальной размерностью 8*8 элементов;

- разработаны методики измерения параметров полученных фотоприемников (вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик) с разрешение по току до 10 аА.

- разработана ЭКД на экспериментальные образцы одноэлементных приемников;

- разработана ЭКД на экспериментальные образцы многоэлементных приемников.

 

Этап2. Экспериментальные исследования фоточувствительных материалов, одно- и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм - результаты работы.

- разработан лабораторный метод получения полупроводниковых фоточувствительных материалов, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм на основе многослойных гетероструктур InAs/InAsSbP;

- разработана технология для получения одноэлементных фотоприемников на основе гетероструктур InAs/InAsSbP, с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм; разработана технология

- разработана технология для получения многоэлементных фотоприемников на основе гетероструктур InAs/InAsSbP, с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм;

- изготовлены экспериментальные образцы фоточувствительных материалов, одноэлементных и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм;

- проведены испытания полученных экспериментальных образцов фоточувствительных материалов, одноэлементных и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм, подтвердившие заявленные параметры фотоприемников;

- разработана программа и методика исследований экспериментальных фоточувствительных материалов;

- разработана программа и методика исследований экспериментальных образцов одноэлементных и многоэлементных фотоприемников;

- разработана методика измерения быстродействия фотоприемного элемента;

- разработаны технологические требования к параметрам подложек арсенида индия.

- Проведенные испытания показали, что предложенные технические решения обеспечивают достижение получение фотоприемников с чувствительностью в области 2.5-3.5 мкм с параметром обнаружительной способности 5Е14 cмГц1/2Вт-1 при 100 К что значительно превосходит параметры фотоприемников на основе "барьерных" nBn структур, которые показали значения параметра обнаружительной способности 8Е13 cмГц1/2Вт-1 при 77 К (что считается наилучшим значением, согласно обзору выполненному на 1-ом этапе ПНИ). по сравнению с существующим мировым уровнем, известным по коммерческим спецификациям и научным публикациям.

- По результатам исследований готовятся 2-е научные публикации и участие в 2-х конференциях.

Этап 3. Экспериментальные исследования фоточувствительных материалов, одно- и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм - результаты работы.

- разработан лабораторный метод получения полупроводниковых фоточувствительных материалов, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 мкм на основе многослойных гетероструктур InAsSb(P)/InAsSbP;

- разработана технология получения одноэлементных фотоприемников на основе гетероструктур InAsSb(P)/InAsSbP, с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм;

- разработана технология получения многоэлементных фотоприемников на основе гетероструктур InAsSb(P)/InAsSbP, с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм;

- изготовлены экспериментальные образцы фоточувствительных материалов, одноэлементных и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм;

- проведены испытания полученных экспериментальных образцов фоточувствительных материалов, одноэлементных и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм, подтвердившие заявленные параметры;

- проведенные испытания показали, что предложенные технические решения обеспечивают получение фотоприемников с чувствительностью в области 2.5-4.5 мкм с параметром обнаружительной способности 2Е11 cмГц1/2Вт-1 при 150 К, что значительно превосходит параметры, например коммерчески доступных фотоприемников на основе твердого раствора InAsSb, производства фирмы Hamamatsu (www.hamamatsu.com).

- По результатам исследований готовятся 2-е научные публикации.

Этап 4. Экспериментальные исследования фоточувствительных материалов и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-5.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм - результаты работы.

- разработан лабораторный метод получения полупроводниковых фоточувствительных материалов, чувствительных в спектральной области 2.5-5.5 мкм на основе многослойных гетероструктур n-InAsSb(P)/P-InAsSbP;

- разработана технология получения многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-5.5 мкм на основе гетероструктур n-InAsSb(P)/P-InAsSbP, с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм;

- разработана технология получения многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм на основе гетероструктур InAs/InAsSbP, с характерными размерами одиночного элемента не более 50 мкм;

- изготовлены экспериментальные образцы фоточувствительных материалов, многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-5.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 200 мкм и многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 50 мкм. Изготовление и контроль экспериментальных образцов многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-3.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента не более 50 мкм проводились, в том числе, при помощи оборудования (микроскопов), приобретенного за счет средств субсидии;

- проведены испытания полученных экспериментальных образцов фоточувствительных материалов и многоэлементных фотоприемников, подтвердившие заявленные параметры, в частности: диапазон спектральной чувствительности 2.5-5.5 мкм, квантовая эффективность не менее 60 % и возможность работы в интервале температур 150-350 К; размер фоточувствительной площадки одиночного элемента 30×30 мкм (чувствительного в спектральной области 2.5-3.5 мкм). Проведенные испытания выполнены при использовании оборудования (криостата и генератора сигналов), приобретенного за счет средств субсидии.

- определены основные механизмы, ограничивающие параметры фотоприемных устройств на основе гетероструктур из твердых растворов арсенида индия и разработаны предложения по исследованию возможностей дальнейшего управления этими процессами;

Проведенные испытания показали, что предложенные технические решения обеспечивают получение фотоприемников с чувствительностью в области 2.5-3.5 мкм с параметром обнаружительной способности, обеспечивающим BLIP режим в области температур около 200 К, что, насколько известно авторам, является наилучшим значением среди опубликованных данных.

По результатам исследований готовятся 3-и научные публикации.

Подано заявление о выдаче патента на изобретение ("Фотодиод для средневолнового инфракрасного излучения", регистрационный номер №2016120128 от 25.05.2016г)

Этап 5. Экспериментальные исследования многоэлементных фотоприемников с характерными размерами одиночного элемента не более 50 мкм - обобщение и оценка результатов работы.

- разработана технология получения многоэлементных фотоприемников на основе гетероструктур InAsSb(P)/InAsSbP, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента менее 50 мкм;

- разработана технология получения многоэлементных фотоприемников на основе гетероструктур InAsSb(P)/InAsSbP, чувствительных в спектральной области 2.5-5.5 мкм с характерными размерами одиночного элемента менее 50 мкм;

- изготовленные экспериментальные образцы многоэлементных фотоприемников чувствительные в спектральных областях 2.5-4.5 и 2.5-5.5 мкм, с характерным размером одиночного элемента 30×30 мкм и размерностью чипа 64×8;

- проведены испытания полученных экспериментальных образцов многоэлементных фотоприемников, чувствительных в спектральной области 2.5-4.5 и 2.5-5.5 мкм, в том числе проведены измерения параметра быстродействия. Проведенные испытания выполнены при использовании оборудования, приобретенного за счет средств субсидии, в частности: металлического откачиваемого криостата с автоматизированным управлением температурой и спектрофотометрическим блоком для Фурье спектрометра;

По результатам исследований сделан доклад на международной конференции (MIOMD-XIII, Китай), готовятся к печати 3-и научные публикации и подана заявка на изобретение.

По результатам исследований проекта в целом, разработаны предложения по разработке продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера, включающие: уменьшение размера единичного элемента многоэлементного приемника до дифракционного предела; формирование защитных покрытий на открытых поверхностях, ограничивающих площадь единичного элемента, позволяющих подавить утечки по поверхности в рабочем диапазоне температур при использовании доступной технологии сборки фоточувствительной матрицы и платы мультиплексора; введение дополнительных технологических операций роста фоточувствительных материалов, позволяющих получить дальнейшее улучшение характеристик фоточувствительности используемых материалов или технологичности их использования с точки зрения уменьшения размеров одиночных элементов; использование других методик получения фоточувствительных материалов с целью выяснения возможности уменьшения себестоимости их производства.

По результатам исследований проекта в целом, сделаны выводы о механизмах, ограничивающих параметры фотоприемных устройств на основе гетероструктур из твердых растворов арсенида индия, и разработаны предложения по возможности управления ими. В частности, показано, что: в "идеальных" гетроструктурах, в которых отсутствуют поверхностные утечки и туннельная составляющая тока, температурная зависимость темнового сопротивления имеет экспоненциальный характер с энергией активации, близкой к ширине запрещенной зоны активной области; в одиночных гетростуктурах при температурах ниже 200-150 К, начинает доминировать туннельная составляющая токопротекания, которая приводит к насыщению температурной зависимости темнового сопротивления и ограничивает значения обнаружительной способности; в двойных гетероструктурах, туннельная составляющая не наблюдается, а температурный рост темнового сопротивления ограничен поверхностными утечками, которые ограничивают достижение больших значений обнаружительной способности при температурах ниже 120 К.

К числу наиболее значимых, конкретных научно-технических результатов, характеризующихся наилучшими значениями достигнутых параметров - относится создание фотоприемников с чувствительностью в области 2.5-3.5 мкм с параметрами темнового тока ≤10-13 А и обнаружительной способности ≥1014 cмГц1/2Вт-1, обеспечивающими BLIP режим в области температур около 200 К;

По результатам исследований проекта в целом, сделан вывод о том, что заявленные цели выполнения ПНИ - выполнены, в частности разработаны: полупроводниковые материалы, фоточувствительные в спектральных областях 2.5-3.5; 2.5-4.5; 2.5-5.5 мкм на основе диодных гетероструктур из твердых растворов арсенида индия и лабораторная технология их получения; разработаны одноэлементные и многоэлементные фотоприемники для спектральных областях 2.5-3.5; 2.5-4.5; 2.5-5.5 мкм на основе диодных гетероструктур из твердых растворов арсенида индия, работающие в интервале температур 150-350 К, обладающие параметрами чувствительности, превышающими существующий мировой уровень, и лабораторная технология их получения. Таким образом, разработаны полупроводниковые фоточувствительные материалы и лабораторная технология их получения, которые могут быть использованы для матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров гражданского назначения.