Актуальность работы диапазон длин волн 3−5 мкм был и остается одним из важнейших для большого числа фотоприемных устройств (ФПУ) военного и гражданского применения. Приемники из этого монокристаллического, достаточно совершенного, материала значительно превосходили по частотным свойствам фоторезитсторы из поликристаллических пленок селенида свинца, а их рабочая температура 78 К и возможность уменьшать размеры делали примесные фоторезисторы из германия не конкурентно способными.
Даже в настоящее время, когда постепенно возрастает роль фотоприемников на основе тройных растворов кадмий-ртуть-теллур, позволяющего делать многоцветные приборы за счет изменения процентного содержания кадмия, ан-тимонид индия остается конкурентно способным, вследствие более простой технологии и большей долговременной стабильности, которая особенно важна в приборах, подлежащих многолетнему хранению.
Несмотря на то, что фоторезисторы и фотодиоды из антимонида индия выпускаются серийно достаточно давно и существует целый ряд технологий их изготовления, вопросы сравнения известных технологий и их модификаций, оптимизация важнейших технологических операций остаются весьма актуальными. Точно также вопросы стабильности параметров приборов при их длительном хранении пока что недостаточно освещены в литературе.
В этом отношении особенный интерес представляет исследование шумовых свойств приборов, так как они, наряду с чувствительностью, определяют основополагающий параметр — обнаружительную способность фотоприемников.
Цель диссертации состояла в определении оптимальной технологии и топологии фотоприемников из антимонида индия, пригодных для изготовления фотоприемных устройств (ФПУ), работающих в широком частотном диапазоне, на основе исследования долговременной стабильности приборов и моделирования ряда конструкций приборов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
— впервые проведены комплексные исследования спектров плотности мощности шума (СПМШ), вольт-шумовых характеристик и пороговых параметров фоторезисторов и фотодиодов из антимонида индия, изготовленных по нескольким технологиям и топологиям фоточувствительного элемента (ФЧЭ);
— впервые на основе анализа изменений СПМШ во времени были выбраны и предложены оптимальные конструкции и технологии изготовления ФЧЭ, пригодные для матричных структур с максимальным сроком службы.
— проведено сравнение параметров серийных и экспериментальных фотодиодов с результатами моделирования, позволяющее оптимизировать конструкции разрабатываемых приборов.
Объекты и методы исследованияобъектами исследования являлись серийные и экспериментальные образцы малоэлементных и многоэлементных фотоприемников, изготовленные на заводе АО «МЗ «Сапфир» (г. Москва).
Значительность поставленной задачи требовала комплексного подхода, который включал в себя: исследование параметров серийно выпускаемых и экспериментальных фотодиодов из антимонида индия, подвергшихся длительному хранению, а также после воздействия на них повышенной температуры хранения, приводящей к деградации параметров ФПразработку и освоение методики исследования параметров приемников, включая измерение фотоэлектрических параметров (ФЭП), вольт-амперных характеристик (ВАХ), спектральных характеристик, спектров плотности мощности шума (СПМШ) и вольтшумовых характеристик (ВШХ);
Исследование шумовых свойств фоторезисторов с целью сопоставления указанных результатов с выводами по исследованию фотодиодов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Показано, что в основе надежности и причин деградации фотодиодов и фоторезисторов из антимонида индия лежит изменение частотной зависимости шума приборов.
2. Впервые показано, что деградация фотоприемников происходит двумя путями. Катастрофический отказ сопровождается резким (на несколько порядков) возрастанием «белого» шума с деградацией ВАХ фотодиодов. Второй тип деградации сопровождается постепенным ростом шума типа с перемещением точки перехода в белый шум в высокочастотную область. Такая деградация происходит постепенно в течение нескольких лет и сопровождается возможным изменением обратной ветви ВАХ, связанным с увеличением токов утечки фотодиодов и падением значения фото-ЭДС.
3. Наиболее опасное для прогнозирования работоспособности ФД является именно медленное нарастание шума типа 1/Т, т.к. при этом во многих случаях сохраняется основной характер ВАХ и слабо изменяется ВШХ .
4. Показано, что ранее существовавший критерий определения работоспособности ФД, заключавшийся в контроле НЧ шума в интервале 0,8 — 1 кГц дает удовлетворительные результаты с точки зрения характеристик приборов в рабочей области частот ранее разработанных ФПУ. Критерием надежности приборов является ограничение смещения во времени значения частоты перехода к 1/Т шуму в пределах 0,8 кГц, что позволяет сохранить удовлетворяющие заказчиков величины удельной обнаружи-тельной способности (О*).
5. Показано, что в случае ФР при определенном запасе по чувствительности прибора можно сохранить значение О* при частоте 0,8 — 1 кГц уменьшив значение смещения.
6. В случае ФД шум типа 1/Т можно снизить путем подбора режимов анодирования и состава электролита, либо экранируя межэлементное пространство слоем металла.
Впервые представлены результаты математического моделирования квантовой эффективности фотодиодов из антимонида индия, позволяющие оценить перспективность технологических и конструктивных операций (изменение глубины залегания р-п-перехода, концентраций примеси и т. п.) на этапе проектирования.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен пакет прикладных программ, реализующих проведение расчета основных параметров фотодиодов двух основных конструкций при их освещении с фронтальной и обратной стороны излучением различной интенсивности, а также построение и обсчет спектров плотности мощности шума.
2. Разработана методика отбраковки потенциально ненадежных приборов, в которых возникают шумы, избыточные над фоновыми, по сопоставлению вольт-шумовых характеристик (ВШХ) и вольтамперных характеристик (ВАХ).
3. Показано, что возрастание именно шумового сигнала, измеряемого, как правило, вблизи 1 кГц, является причиной деградационного уменьшения обнаружительной способности приборов, подвергшихся длительному хранению.
На основе моделирования и анализа свойств изготовленных приборов показана возможность управления параметрами фотоприемников (спектральной характеристикой, частотной характеристикой шумового сигнала) путем подбора исходного материала.
Обоснованность научных положений основывается на проведенном сравнительном комплексном анализе большого количества серийно выпускаемых фотоприемников,.
Достоверность результатов обеспечена применением в проведенных экспериментах воспроизводимой технологии получения фотоприемников, корректностью применения общепризнанных методик измерения их параметров, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей.
Апробация работы: основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2002 г.), на XXXI, XXXII, XXXIII и XXXIV Международной научно-методическом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс)» (Москва, 2000, 2001, 2002, 2003 г. г.), 8 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2002).
Вклад автора заключается в проведении измерений параметров приемников излучения, участии в анализе полученных результатов, проведении моделирования конструкций фотодиодов на основе антимонида индия и участие в написании печатных работ.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах, из них 1 — в рекомендуемом ВАК журнале, 11 докладов на международных конференциях и 2 тезиса. В большинстве работ, выполненных в соавторстве, проведение эксперимента, выполнение расчетов и интерпретация результатов выполнено диссертантом совместно с соавторами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложеннных на 179 страницах и иллюстрированных 112 рисунками, 9 таблицами, а также списка литературы из 358 наименований.
Выводы по разделу 4.
1. Проведенное моделирование ФД, с учетом разных технологий их изготовления, позволило получить более однозначное представление о связи их параметров с топологией.
2. Полученное хорошее совпадение рассчитанных в результате моделирования параметров с измеренными на реальных приборах говорит о перспективности использования разработанного програмного обеспечения при создании новых приборов в частности матричных структур, освещаемых с обратной стороны.
Заключение
.
1. Комплексное исследование большой партии фотоприемников на основе антимонида индия, показало хорошую сохранность и надежность определенных групп приборов, полученных при оптимизации технологического процесса. Это подтверждает положение об их конкурентной способности с приборами на основе КРТ и целесообразности использования в новых разрабатываемых ФПУ.
2. Показана определяющая роль шумовых свойств ФД, работающих в режимах ограничения фоном, в формировании их обнаружительной способности, а также в их надежности и сроке службы.
3. Подтверждена целесообразность использовавшегося ранее контроля шумов ФД на частоте 800−1200 Гц для ФПУ предыдущих поколений и необходимость перехода на контроль СПМШ в случае применения их в теп-ловизионных устройствах.
4. На основе анализа параметров ФД, изготовленных по различным техно-логям показана важность оптимизации защиты поверхности специальными диэлектрическими покрытиями в местах выхода рп-переходов для уменьшения шума типа 1/f.
5. Исследование влияния фонового излучения на шумовые свойства ФД и их обнаружительную способность позволило уточнить зависимость обратных токов и шумовых сигналов от конструкции и особенностей изготовления приборов.
6. Впервые проведенное комплексное исследования взаимосвязи СПМШ с параметрами ФД показало роль шума типа 1/f в обнаружительной способности приборов и связь причин его возникновения с технологией изготовления приборов.
7. Сравнение серийных приборов с глубоко залегающим рп-переходом, полученных радиационно-сплавным методом и меза-структурой, с экспериментальными образцами ФД, изготовленными по планарной технологии с использованием ионного легирования, показали перспективность последнего метода, как в случае создания многоэлементных приборов с малой площадью чувствительного элемента, так и в случае приборов с большой площадью, вследствие значительного снижения обратных токов и улучшением их шумовых свойств.
8. Проведенное моделирование параметров ФД, полученных по разным технологиям, позволило получить более однозначное представление о связи их параметров с конструкцией, а хорошее совпадение рассчитанных параметров с измеренными на реальных приборах еще раз подтвердило целесообразность предложенного моделирования в случае разработки новых конструкций.
