Статья: Исследование характеристик кремниевых фотоэлектронных умножителей (2018)

В статье описаны основные принципы построения системы контроля и статистического описания матрицы параметров технологических процессов изготовления библиотек стандартных элементов на основе полупроводниковых гетероструктур, используемых для проектирования и производства компонентов твердотельной сверхвысокочастотной техники. Показано, что определение «среднестатистического» состояния такой матрицы, отвечающего нахождению значений всех параметров в границах, обусловленных естественной изменчивостью технологического процесса, многократно повышает надежность проектирования сверхвысокочастотных монолитных интегральных микросхем (СВЧ МИС) и сходимость экспериментальных параметров с расчетными данными. Описанный алгоритм позволяет создавать комплексы правил и средств проектирования СВЧ МИС, не уступающие лучшим мировым аналогам.

В данной работе рассматриваются различные технологии активной пайки металлокерамических корпусов для вакуумных фотоэлектронных приборов. Представлены результаты экспериментальных исследований по групповой активной пайке металлокерамических корпусов на основе титаносодержащего припоя, проводимой в автоматической высоковакуумной промышленной электропечи модели СНВЭ-2.4.2/13-ИОП-НИТТИН. Подбор технологических параметров активной пайки позволяет получить высококачественные металлокерамические корпуса, соответствующие требованиям конструкторской документации по вакуумной плотности, термомеханической прочности, низкому уровню газовыделения, высокой чистоты поверхностей керамики и металла, а также геометрическим размерам.

Приведены результаты экспериментальных исследований по созданию интегральнооптических волноводов на основе кварцевого стекла, легированного фтором, при помощи неизотермической плазмы резонансного локального СВЧ-разряда на волне Н10. Отработанная технология предназначена для создания планарных волноводов с сердцевиной из нитрида или оксинитрида кремния и SiO2 + F оболочки. Достигнуты высокие скорости осаждения кварцевого стекла, легированного фтором, на кремниевые подложки (вплоть до 1 мкм/мин), что может резко повысить производительность труда на данном переделе в микроэлектронике.

На основе метода матрицы переноса разработана численная модель по расчету спектров пропускания и отражения многослойных эпитаксиальных гетероструктур для спектрального диапазона, в котором отсутствует высокое поглощение в материале. Проведен численный анализ зависимостей целевой длины волны излучения, ширины стоп-зоны и величины коэффициента пропускания брэгговских зеркал от технологических параметров структуры и различных полупроводниковых материалов, используемых в оптоэлектронике. Корректность получаемых результатов была установлена из сравнения расчетных спектров пропускания с измеренными спектрами для зеркал, изготовленных на основе гетеропары Pb1-xEuxTe/EuTe с составами x < 0,1 для спектрального диапазона от 3,5 до 5 мкм. Из расчетов показано, что данные материалы обладают высоким оптическим контрастом в гетеропаре от 0,37 до 0,39, пропускание зеркал в стоп-зоне составляет менее 5 % для трех пар, для четырех пар – менее 1 %. Ширина стоп-зоны для нужного спектрального диапазона находится в пределах от 1100 см-1 до 1400 см-1.

Работа посвящена изучению процессов конденсации пленки амальгамы цезия на поверхности оболочки разрядного объема и способов последующего испарения для формирования плазменного канала в газоразрядной лампе. Проанализированы факторы, определяющие скорость осаждения и равномерность пленки амальгамы, предложено устройство для испарения металлов и зажигания разряда в лампе.

В работе приводятся данные экспериментальных исследований фокусировки сильноточного пучка ионов дейтерия с энергией 80 кВ на дейтерийсодержащую мишень (показана возможность получения пучка с характерным поперечным размером в фокальной области на уровне 1 мм и плотностью тока более 5 A/см2) и измерений интенсивности потока нейтронов, возникающих при бомбардировке мишени за счет D-D реакции синтеза (нейтронный выход достигал 1010 нейтронов в секунду). Такой «точечный» источник нейтронов представляется перспективным для использования в нейтронной томографии.

Представлены экспериментальные результаты исследования динамики ударных волн, возбуждаемых при воздействии сильноточного электронного пучка на образцы из оргстекла и эпоксидной смолы. Давление в фокальном пятне пучка в разных экспериментах составляло 55–95 кбар. Методами теневого лазерного фотографирования в сочетании с электроннооптической хронографией получены данные о распространения ударной волны в этих образцах. В проделанных опытах измерена скорость распространения фронта ударной волны, которая составила для эпоксидной смолы и оргстекла 3,6 и 3,9 км/с соответственно.

На основе модели распыления двухкомпонентных материалов легкими ионами получена аналитическая формула, позволяющая рассчитывать полные и парциальные коэффициенты распыления бинарной мишени легкими ионами. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Выявлены закономерности преимущественного распыления двухкомпонентных материалов при низких энергиях бомбардирующих ионов.

Приведены результаты исследований процесса вторичной рекристаллизации в подложках из алюмооксидной керамики с различным содержанием Al2O3 при электронной или лазерной обработке поверхности. Установлено, что при достижении на поверхности керамики температуры в 1200–1600 оС происходит высокоскоростной рост отдельных крупных зерен за счет поглощения более мелких. Данный процесс распространяется на глубину 50–100 мкм и приводит к уменьшению количества межзеренных пор и границ, уплотнению структуры материала. Показано, что процесс (независимо от вида обработки) носит термоактивационный характер и может эффективно использоваться для улучшения структуры и механических свойств поверхности изделий.

Найдено экономичное технологическое решение создания сегнетоэлектрических доменных структур с периодом d  40–100 мкм. Определены значения частоты упругих волн и температуры жидких электродов. Полученные результаты могут быть применены к технологии, ориентированной на массовое производство устройств на основе доменных структур, в частности, при изготовлении акустических фильтров и резонаторов с улучшенными характеристиками. Технология обладает малой продолжительностью технологического цикла и в то же время обеспечивает необходимую глубину инвертирования доменов.

Созданы образцы гибридного двенадцатиканального детектора для лазерного локатора в спектральном диапазоне 0,95–1,65 мкм с фотокатодом на гетероструктурах InP/InGaAs. В качестве анода детектора использована кремниевая фотодиодная линейка в режиме «backilluminated » с фронтом импульсной характеристики менее 10 нс. Чувствительность любого канала более 1 А/Вт. В работе представлены результаты исследования быстродействия диодных линеек и спектральные характеристики фотокатодов.

Работа посвящена имитационному моделированию эволюции температурного поля в многослойной фоточувствительной структуре матричного фотоприемника (МФП) при облучении его интенсивным лазерным излучением. Разработанная модель позволяет учитывать топологию и параметры многослойной структуры МФП, физические характеристики ее материалов, а также свойства криогенной охлаждающей системы. Результаты использованы для оценки нагрева InSb МФП импульсным лазерным излучением.

В данной работе рассматриваются вопросы оптимизации условий роста в методе молекулярно-лучевой эпитаксии для создания высокоэффективных инфракрасных фотоприемников с квантовыми точками. В качестве модельной материальной системы для теоретических исследований выбраны гетероструктуры с квантовыми точками германия и кремния на поверхности кремния. Для расчетов зависимостей параметров массива квантовых точек в условиях синтеза предложена кинетическая модель роста квантовых точек различной формы на основе общей теории нуклеации. Теория улучшается путем учета изменения свободной энергии зарождения островка за счет образования дополнительных ребер островков и за счет зависимости поверхностных энергий граней квантовых точек от толщины двумерного смачивающего слоя при росте по механизму Странского–Крастанова. Проведены расчеты шумовых и сигнальных характеристик инфракрасных фотоприемников на основе гетероструктур с квантовыми точками германия на кремнии. Оценены темновые токи в таких структурах, вызванные тепловой эмиссией и барьерным туннелированием носителей, а также обнаружительная способность фотоприемника в приближении ограничений генерационнорекомбинационными шумами. Приводятся результаты расчетов параметров гетероструктур с квантовыми точками и их зависимости от параметров роста, а также характеристики квантово-точечных фотоприемников. Проведено сравнение рассчитанных параметров ансамблей квантовых точек и характеристик квантово-точечных фотоприемников с экспериментальными данными.

Проведены исследования темновых токов и шумов фоточувствительных элементов (ФЧЭ) многорядных фотоприемных модулей (ФПМ) на основе гетероэпитаксиальных (ГЭС) структур HgCdTe с шагом 28 мкм средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов спектра при обратном напряжении смещения V = -0,1 В. Показано, что значение обнаружительной способности D*  1012 см Вт-1 Гц1/2 для ФПМ средневолнового диапазона достигается при темновых токах менее 10-11 А. Измерены зависимости фотосигнала и шума от времени накопления для ФПМ длинноволнового ИК-диапазонов спектра. Показано, что фотосигнал растет линейно в зависимости от времени накопления в диапазоне Тнак = 25–200 мкс, а шум возрастает приблизительно в 2 раз.

Измеренные интенсивности газообразования при частичных разрядах в рапсовом и трансформаторном маслах оказались близкими по значению. Кажущийся заряд единичного частичного разряда в трансформаторном масле, в среднем, выше, чем в рапсовом. Частота возникновения частичного разряда в рапсовом масле выше, чем в трансформаторном.

Исследовано воздействие на углеродные волокна импульсных токов с амплитудным значением в тысячи ампер и длительностью 250 мкс. При таких токах происходит частичное испарение материала волокна. Вылетевшие частицы образуют плазму, малое сопротивление которой шунтирует углеродное волокно, предохраняя его от полного разрушения. В первом импульсе происходит пробой диэлектрической матрицы композита, причем плотность образовавшейся плазмы оказывается большой, и ее проводимость определяется процессами рассеяния электронов на частицах плазмы. При повторных импульсах плотность плазмы существенно уменьшается и ее проводимость носит индуктивный характер. Полученные временные зависимости тока и напряжения позволяют провести оценку некоторых параметров плазмы, образовавшейся при первичном и последующих импульсных воздействиях.

В статье представлены результаты экспериментальных газодинамических исследований PIV-методом плазменных струй, сформированных коаксиальным барьерным разрядом в потоке аргона при атмосферном давлении. Разряд поддерживался синусоидальным напряжением с частотой 90 кГц. Показано, что периодические пробои, создаваемые барьерным разрядом в потоке, инициируют переход ламинарного течения в турбулентный режим даже при низких числах Рейнольдса. Результаты, полученные PIV-методом, обнаружили, что мощный БР существенно увеличивает коэффициент турбулентной диффузии в изначально турбулентном потоке. Установлено, что максимальная длина плазменной струи, на которой сохраняется ее плазмохимическая активность, определяется не только начальной скоростью струи, но и степенью ее расширения.

На стеллараторе Л-2М при увеличении мощности ЭЦР-нагрева плазмы исследована динамика формы спектров мягкого рентгеновского излучения (SXR-спектров), температуры тепловой части SXR-спектров и экспериментально определенного энергетического времени жизни плазмы. Измерены зависимости температур тепловой и надтепловой частей спектров от мощности нагрева и плотности плазмы при увеличении удельной мощности нагрева 3,0 МВт/м3. Установлено, что при увеличении удельной мощности ЭЦР-нагрева до 3,0 МВ/м3 на стеллараторе Л-2М не происходит заметного ухудшения удержания плазмы.

Работа является продолжением цикла работ по созданию широкополосных плазменных СВЧизлучателей на основе гладкого волновода. Рассмотрены различные методы создания СВЧисточников. Рассматривались различные способы разрыва обратной связи для получения сплошного спектра СВЧ-излучения. Показан переход плазменного релятивистского генератора в режим усилителя шума при изменении параметров численного расчета. Результаты проведенных численных экспериментов позволяют определить параметры экспериментальных установок, которые планируется создать и исследовать в следующих работах. В случае, когда время прохождения волны по длине генератора превышает длительность импульса РЭП, спектр СВЧ-излучения сплошной. Если же время прохождения существенно меньше длительности импульса, то наблюдается излучение линейчатых спектров на частотах, при которых длина генератора кратна числу полуволн, так как генерация происходит на продольных типах волн плазменного генератора. Достигнута перестройка средней частоты излучения от 3 до 9 ГГЦ в обоих экспериментах на уровне мощности порядка 40 МВт.