Статья: Перспективные направления развития устройств считывания многоэлементных ИК фотоприемных устройств (обзор) (2018)

Разработана математическая модель, позволяющая экспериментально реализовать метод измерения спектральной чувствительности ИК ФЧЭ, использующий модель черного тела (МЧТ) и систему регистрации сигналов ИК МФПУ. Построена теоретическая модель расчета спектральной чувствительности и проведено исследование корректности метода.

Обосновывается необходимость расширения динамического диапазона в МФПУ коротковолнового ИК-спектра (SWIR). Традиционно применяемые способы обладают низкой эффективностью, в особенности, в крупноформатных матрицах с шагом не более 15 мкм. Наибольшей эффективностью расширения динамического диапазона (до 100 дБ) обладают накопительные ячейки с индивидуально изменяемой передаточной характеристикой в зависимости от яркости фрагментов наблюдаемой сцены. В работе предлагается простой в топологической реализации и эффективный способ расширения динамического диапазона, основанный на автоподстройке времени накопления индивидуально в каждой ячейке интегральной схемы считывания. При этом сохраняется высокая крутизна и линейность преобразования в накопительных ячейках с умеренной освещенностью (до 50–70 % от максимального сигнала), но снижается чувствительность в ячейках, близких к насыщению. В результате, формируется линейно-логарифмическая передаточная характеристика, обеспечивающая расширенный динамический диапазон. В работе приводятся примеры изображений с расширенным динамическим диапазоном, полученные с помощью первой отечественной SWIR-камеры формата 640×512 элементов.

В работе представлены результаты измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) мезаэлементов матриц формата 320256 с шагом 30 мкм p–i–n-диодов. Данные образцы сформированы ионно-лучевым травлением на основе гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) AlxGa1-xN, изготовленных методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (МОС). Использованы также тестовые образцы мезадиодов различных по диаметру размеров, изготовленных на основе ГЭС, полученных молекулярно-лучевой эпитаксией и сформированных травлением p+- и iслоёв в высокоплотной плазме BCl3/Ar/N2. Представлены типичные ВАХ p–i–n-диодов на основе ГЭС, полученных разными методами выращивания и формирования мезы. Полученные результаты могут свидетельствовать о высокой плотности дефектов роста эпитаксиальной структуры по площади пластин, изготовленных методом МЛЭ.

Представлены результаты расчетов фотоэлектрических характеристик многоэлементных ИК ФПУ для точечных источников изображения. Анализ основан на моделировании диффузии фотогенерированных носителей заряда в фотодиодных матрицах на эпитаксиальных слоях кадмий-ртуть-теллур методом Монте-Карло. При расчетах учтены основные фотоэлектрические и конструктивные параметры фоточувствительных элементов и оптической системы. Полученные результаты позволяют сформулировать требования к конструктивным и фотоэлектрическим параметрам фоточувствительных элементов ФПУ, обеспечивающих достижение оптимальной величин чувствительности и пространственного разрешения в условиях однородной освещенности матрицы и ее засветки оптическим пятном от точечного источника излучения.

В работе ставится задача получения критерия качества фотоприемника, определяющего его способность формировать качественное тепловизионное изображение. Рассматривается прямая задача получения тепловизионного изображения при выполнении коррекции сигнала фотоприёмника по одной точке. Критерий качества найден как функционал невязки обратной оптимизационной задачи, а его минимизация является оптимизацией технологии изготовления матрицы фоточувствительных элементов (ФЧЭ). Критерием является величина Ск, равная отношению пространственного шума к временному шуму: если величина Ск стационарна во времени, а ее значение 0 ≤ Ск ≤ 1, то фотоприемное устройство способно формировать качественное тепловизионное изображение и технология изготовления матрицы ФЧЭ является оптимальной по критерию минимизации величины пространственного шума. Показано, что для матричных (Ск ≈ 0,9–1,0) и линейчатого (Ск ≈ 0,9) фотоприемников «Софрадир» величина Ск ≤ 1, для линейчатых фотоприемников НПО «ОРИОН» и ИФП СО РАН величина Ск > 1 (Ск ≈ 1,1–1,2). Отечественные матричные фотоприёмники ИФП СО РАН показали перспективу на достижение показателя Ск ≤ 1 при использовании технологии получения матриц ФЧЭ на подложках из кремния.

Представлен обзор разработки гибридных фотоэлектронных приборов и современное состояние отечественных работ в области гибридных приборов, представляющих собой объединенные в единый вакуумный объем фотокатод и линейку p–i–n-диодов либо электронночувствительную матрицу прибора с переносом заряда (ППЗ). Отражена роль АО «ЦНИИ «Электрон» в разработке и производстве номенклатуры отечественных гибридных фотоэлектронных приборов, предназначенных для работы в разных областях электромагнитного спектра, причём с разными системами обработки сигнала. Детально изложены результаты разработки нового фотокатода на основе гетероструктуры InP/InGaAs/InP для ближнего ИК-диапазона 0,95–1,6 мкм. Анализируются преимущества гибридных телевизионных приборов перед сочлененными приборами, изготовленными на базе ЭОПов. Подробное внимание уделено особенностям дизайна ЭЧ ППЗ с точки зрения легирования примеси и создания оптимального профиля тянущего электрического поля.

В настоящей работе изучены эффективность поглощения высокочастотной (ВЧ) мощности плазмой и структура возбуждаемых волн в индуктивных ВЧ-источниках плазмы (ИП) диаметром 20 см и длиной – 20, 32 и 52 см при наличии внешнего магнитного поля 10–65 Гс. Измерения выполнены в аргоне в диапазоне давлений 0,1–2,3 мТорр и мощностях ВЧгенератора 0–1000 Вт. Для возбуждения индуктивного разряда использовалась соленоидальная антенна. Параллельно с индуктивным каналом в разряде был организован канал постоянного тока, сформированный двумя электродами, расположенными на торцах цилиндрического источника плазмы. Показано, что при давлении аргона менее 1 мТорр и мощностях ВЧ-генератора менее 800 Вт во всех трех рассмотренных ИП эффективность вложения ВЧ-мощности немонотонно зависит от магнитного поля. Измерение аксиального распределения продольной и азимутальной компонент магнитного ВЧ-поля показало, что при магнитных полях более 10 Гс в ИП формируется частично стоячая волна. Положение локальных максимумов азимутальной и продольной компонент ВЧ-поля сдвинуты друг относительно друга по продольной координате. Число полуволн, укладывающихся на длине источника плазмы, зависит от величины индукции внешнего магнитного поля и длины ИП. При подаче между электродами напряжения 100 В амплитуда продольной и азимутальной компонент магнитного ВЧ-поля возрастает, что связано с увеличением коэффициента отражения волны на границе ИП.

Обработка поверхности GaN (без травления материала) в высокочастотном индукционном (ВЧИ) разряде в газе BCl3 является перспективным методом изготовления омических контактов с низким сопротивлением для полевых транзисторов на основе GaN. В ряде случаев такая обработка в BCl3-плазме приводит к деградации омического контакта, так как радикалы BClx склонны к образованию полимеров типа BxCly. В настоящей работе рассмотрены механизмы воздействия BCl3 плазмы ВЧИ-разряда на поверхность GaN. С помощью численного моделирования плазмы определены соответствующие значения пороговых энергий ионов, при которых происходит удаление полимерной пленки BxCly и инициируется процесс травления GaN. Показано, что промежуточный режим плазменной обработки поверхности без осаждения полимера и без травления GaN реализуется в интервале энергий ионов 32÷60 эВ.

Приводятся результаты экспериментальных исследований процесса коммутации тока в маломощном газовом разряде с плазменной инжекцией. Показано, что коммутация тока связана с зажиганием на катоде катодного пятна. Синхронно с заполнением разрядного промежутка плотной плазмой происходит зажигание пятна, а синхронно с освобождением (газодинамической разгрузкой) – гашение. Показано, что пятно зажигается за время 1–30 нс в результате локального взрывного разогрева катода со скоростью более 1012 К/с током автоэлектронной эмиссии. Показано, что гашение пятна происходит за время менее 100 пс, при этом приводящие к гашению процессы развиваются одновременно во всех ячейках катодного пятна.