Введение к работе
Актуальность темы. 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, антимонид 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 работы и задачи исследования 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.
(
РОС НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕК*
- проведено сравнение параметров серийных и экспериментальных фотодиодов с результатами моделирования, позволяющее оптимизировать конструкции разрабатываемых приборов.
Объекты и методы исследования.
Объектами 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 ФП;
разработку и освоение методики исследования параметров приемников, включая измерение фотоэлектрических параметров (ФЭП), вольтамперных характеристик (ВАХ), спектральных характеристик, спектров плотности мощности шума (СПМШ) и волышумовых характеристик (ВШХ).
исследование шумовых свойств фоторезисторов с целью сопоставления указанных результатов с выводами по исследованию фотодиодов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые показано, что в основе надежности и причин деградации фотодиодов и фоторезисторов из антимонида индия лежит изменение частотной зависимости шума приборов.
Впервые показано, что контроль СПМШ позволяет более точно фиксировать начало деградационного процесса приборов по сравнению с контролем ВАХ и ВШХ.
Показано, что высокое значение шума в фотодиодах и фоторезисторах на основе антимонида индия непосредственно после их изготовления в частотной области 1...10 Гц, при значениях «белого» шума в диапазоне 10... 105 Гц, удовлетворяющих техническим требованиям, не означает потенциальной ненадежности фотоприемников.
Впервые показано, что катастрофический отказ фоторезисторов и фотодиодов на основе сопровождается повышением «белого» шума.
Постепенная деградация фотоприемников на основе антимонида индия, как правило, сопровождается увеличением шума типа 1/F и перемещением точки перехода шума типа 1Дв «белый» шум в высокочастотную область.
Показано, что в случае ФД шум типа 1/F можно снизить путем подбора режимов анодирования и состава электролита, а также экранировнием межэлементного пространства напылением пленки металла.
Впервые проведено комплексное сравнение результатов математического моделирования квантовой эффективности фотодиодов из антимонида индия с параметрами серийных и экспериментальных приборов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
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,
Разработана методика отбраковки потенциально ненадежных приборов, в которых возникают шумы, избыточные над фоновыми, по сопоставлению вольт-шумовых характеристик (ВШХ) и вольтамперных характеристик (ВАХ).
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 и экспериментальных 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.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
В основе надежности и причин деградации фотодиодов и фоторезисторов из антимонида индия лежит изменение частотной зависимости шума приборов, связанной с защитой поверхности полупроводника.
Деградация фотоприемников происходит двумя путями. Катастрофический отказ сопровождается резким (на несколько порядков) возрастанием «белого» шума. Одновременно деградирует ВАХ ФД.
Второй тип деградации сопровождается постепенным ростом шума типа 1/f с перемещением точки перехода в белый шум в высокочастотную область. Такая деградация и сопровождается возможным изменением обратной ветви ВАХ, связанным с увеличением токов утечки фотодиодов и падением значения фото-ЭДС. Наиболее опасно для прогнозирования работоспособности ФД является именно медленное нарастание шума типа ]Д т.к. при этом во многих случаях сохраняется основной характер ВАХ и слабо изменяется ВЕТХ.
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 І/f шуму в пределах 0,8 кГц, что позволяет сохранить удовлетворяющие заказчиков величины удельной обнаружительной способности (D*). При определенном запасе по чувствительности фоторезистора сохранить значение D* при частоте 0,8 - 1 кГц можно, уменьшив значение смещения. В случае ФД шум типа 1/f можно снизить путем подбора режимов анодирования и состава электролита, либо экранируя межэлементное пространство слоем металла.
Результаты математического моделирования квантовой эффективности фотодиодов позволяют оценить перспективность технологических и конструктивных операций (изменение глубины залегания р-п-перехода, шага ФЧЭ и т.п.) на этапе проектирования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 17 Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2002 г.), на 31, 32, 33 и 34 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.
