Фотоприемные устройства на «кадмий-ртуть-теллуре»

Рис.1 Прогноз рынка ИК-систем до 2023 г. (источник Maxtech International)

Для ИК фотонных детекторов спектральных областей чувствительности 3 – 5 и 8 – 14 мкм (MWIR – средне-волновые ИК и LWIR – длинноволновые ИК) прозрачности атмосферы, как правило, требуется криогенное охлаждение (вплоть до Т ~ 80 – 150 K), чтобы уменьшить скорость тепловой генерации носителей заряда. Типичная конструкция современного МФПУ показана на рис.2. Гибридный фотоприемный узел, включающий матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную с кремниевой интегральной схемой считывания, смонтирован в вакуумный корпус МФПУ. Охлаждение МФПУ обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения (МКС), работающей по циклу Стирлинга.

Рис.2. Конструкция модуля с охлаждаемым МФПУ

В настоящее время на повестке дня стоит разработка и внедрение инфракрасных МФПУ второго и третьего поколений. Ко второму поколению относятся МФПУ «смотрящего типа» с числом элементов до 10⁶ (мегапиксель). Третье поколение МФПУ характеризуется расширенными возможностями, реализующими многоспектральный прием оптического излучения и др.

Основные полупроводниковые фоточувствительные материалы

Основой МФПУ являются полупроводниковые фоточувствительные материалы, роль которых в достижении их конечных характеристик все более возрастает. В последнее время круг этих исходных материалов для инфракрасной фотоэлектроники обозначился достаточно ясно. Доминирующими для охлаждаемых МФПУ остаются кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe, КРТ) на спектральные диапазоны 1-2,5 мкм; 3-5 мкм; 8-14 мкм и антимонид индия (InSb) на диапазон 3-5 мкм (Рис. 3). Значительное расширение областей применения МФПУ коротковолнового ИК диапазона спектра (0,9-1,7 мкм) привело к развитию тройного полупроводникового соединения индий-галлий-мышьяк (InGaAs), появлению охлаждаемых МФПУ на основе сверхрешеток (InAs/GaSb Type II SL) и квантовых ям (QW, QD).

КРТ – основной материал современной инфракрасной фотоники.

С середины 80-х годов ХХ века КРТ утвердился в мире как основной материал ИК- фотоэлектроники, оставив позади по объему продаж другие полупроводниковые фоточувствительные материалы. Впервые, в 1959 г. в Англии Лоусоном, а в СССР в 1960 г. А.Д. Шнейдером из Львовского педагогического института были опубликованы две первые работы, посвященные исследованию системы CdTe-HgTe. Из результатов работ следовало, что оба соединения обладают бесконечной растворимостью по отношению друг к другу и образуют непрерывный ряд твердых растворов с плавно меняющейся шириной запрещенной зоны. Меняя состав х твердого раствора CdxHg1—xTe в пределах 0,2-0,5, можно было получить материал, пригодный для детектирования ИК-излучения во всех трех “окнах” прозрачности земной атмосферы — 1,5-2,5; 3-5 и 8-14 мкм.

Рис.3 Доли различных материалов в продажах ИК-систем

Технология получения КРТ носит сложный многоступенчатый характер и включает тонкую очистку исходных Cd, Hg и Те, синтез соединений HgTe и CdTe, получение поликристаллов и монокристаллов CdHgTe. В настоящее время слои КРТ получают методом эпитаксии на подходящей подложке. В ГИРЕДМЕТе для выращивания эпитаксиальных слоев КРТ был выбран метод жидкофазной эпитаксии на подложке из соединения кадмий-цинк-теллур (КЦТ), который в настоящее время является основным промышленным методом изготовления эпитаксиальных слоев в ведущих мировых фирмах, производящих многоэлементные и матричные фотодиоды. (Рис.4)

Основные преимущества этого метода: относительно низкая стоимость и высокая производительность оборудования, автоматическая доочистка поверхности на начальном этапе роста, дополнительная очистка от примесей в процессе роста и одно-родность состава по площади. Однако, подложки большой площади из CdZnTe остаются дорогим изделием с плохо воспроизводимыми характеристиками. В связи с этим повсеместно разрабатываются технологии создания гетероструктур CdHgTe на альтернативных подложках, таких как Si, GaAs, Ge. Большое различие параметров кристаллических решеток, химическая и структурная несогласованность КРТ на Si делает задачу разработки и изготовления МФПУ на основе структур КРТ/Si, с подходящими параметрами, чрезвычайно сложной. В ИФП СО РАН разработана технология и изготовлено оборудование для решения данной задачи.

Рис.4 Матрица фотодиодов на КРТ

Табл.1 Матричные ФПУ на основе КРТ различных производителей

Ситуация в России

В России проблема обеспечения разработок и производства в области ИК-фотоэлектроники отечественными фоточувствительными материалами стоит достаточно остро. К настоящему времени удалось разработать технологии и создать производственные участки по выпуску некоторых фоточувствительных материалов, в том числе монокристаллов антимонида индия, эпитаксиальных структур КРТ, а также полупроводниковых подложек кадмий-цинк-теллур (КЦТ) (АО «Гиредмет»).

Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий, сосредоточенных в АО «Швабе» и АО «Росэлектроника», в Российской академии наук, а также частные предприятия. Основными поставщиками тепловизионных ФПУ и МФПУ являются АО «НПО «Орион» и АО «МЗ Сапфир», входящие в АО «Швабе», а также частное предприятие АО «ОКБ «Астрон». АО «НПО «Орион» разрабатывает и ведет производство охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемников, материаловедческая база предприятия ориентирована на молекулярно-лучевую эпитаксию. АО «МЗ «Сапфир» производит охлаждаемые и неохлаждаемые ФПУ на основе Si, Ge, InSb, CdHgTe. АО «НИИ «Полюс» развивает неохлаждаемые ФПУ на основе InGaAs методом эпитаксии из металлорганических соединений. Предприятия АО «Росэлектроника» специализируются на разработке и производстве матриц видимого диапазона на основе кремния, охлаждаемых МФПУ на основе квантовых ям, барьера Шотки из силицида платины, видиконов, пироэлектрических приемников и глубокоохлаждаемых ФПУ на основе примесного кремния (АО «НПП «Пульсар», АО «ЦНИИ «Электрон», АО «ЦНИИ «Циклон» АО «НПП «Восток»). Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН развивает ФПУ на основе CdHgTe, InAs, микроболометров и квантовых ям. АО «ОКБ «Астрон» (г. Лыткарино) разрабатывает и производит тепловизионные приборы гражданского назначения на основе неохлаждаемых МФПУ собственного производства, а также охлаждаемых МФПУ на основе CdHgTe совместно с ИФП СО РАН и микрохолодильной системы Астрон-МКС500.

Таким образом, в настоящее время в России разработан МФПУ второго поколения, а также крупноформатные и смотрящие ИК ФПУ. Достигнутые результаты близки по своим показателям мировому уровню.

Тенденции развития МФПУ на КРТ

Уменьшение шага и повышение формата является всеобщим трендом практически для вех мировых разработчиков и производителей МФПУ на КРТ. Фирма Leonardo (Великобритания) уже достигла шага 8 мкм для матриц мегапиксельного формата средневолнового ИК диапазона, а фирма Lynred (Франция) к 2020 году планирует достичь шага 5-7 мкм для таких матриц и совместно с научным центром CEA LETI (Франция) проводит интенсивные работы в этом направлении.

Формат МФПУ 640×512 элементов при шаге 15 мкм является в настоящее время основным форматом и, по-видимому, по соотношению «цена–качество» на ближайшие 5-10 лет он таковым и останется. Ведущими фирмами-разработчиками МФПУ в качестве коммерчески доступного достигнут мегапиксельный формат 1280×1024 элементов. В настоящее время цены на такие матрицы достаточно высоки и не позволяют разработчикам аппаратуры осуществить массовый переход на него. Однако уже к 2025 году такой переход произойдет.

Таким образом, за рубежом за последнее время произошло значительное продвижение в области инфракрасных матричных фотоприемных устройств и все в большей степени передовые образцы МФПУ становятся доступны потребителям. Это значительно расширяет перспективы совершенствования и создания новых инфракрасных оптико-электронных систем, а также поддерживает устойчивый рост объема рынка в этой области.

Последнее десятилетие можно охарактеризовать как период стремительного развития технологий КРТ и приборов на его основе. По-видимому, КРТ останется основным материалом для производства высокочувствительных устройств, по крайней мере, в течении ближайших 10 – 15 лет, так как матрицы, созданные на его базе имеют параметры, которые близки к предельным фундаментальным характеристикам и они могут функционировать в нескольких спектральных диапазонах прозрачности атмосферы. На сегодня в сравнении с КРТ не существует других конкурентноспособных материалов с высокой степенью готовности к производству, способных заменить его для применений, требующих мультиспектральных возможностей в раннем об-наружении, распознавании и идентификации на больших расстояниях и функционирующих с высокой кадровой частотой. Несмотря на изобилие новых идей и методов регистрации ИК-излучения в диапазоне 8-14 и 3-5 мкм (квантовые ямы, сверхрешетки на основе широкозонных полупроводников и другие структуры), приборы на основе КРТ (вместе с фотоприемниками на основе InSb, PbSe и микро-болометрами) вероятнее всего будут доминировать в оптико-электронном приборостроении. В ближайшем будущем использование описанных технологий на основе КРТ приведет к созданию более крупноформатных матричных приборов для тепловидения. Мы считаем, что динамику развития ФПУ на основе КРТ можно оценить, как представлено на рис.5.

Рис. 5. История и прогноз развития МФПУ на основе КРТ, шт
(Источник – Maxtech. International, расчёты авторов)

Для России задача достижения паритета с мировым уровнем, а также создания опережающего научно-технического и технологического заделов для развития МФПУ могут быть решены программно-целевым методом, предусматривающем проведение комплекса мероприятий технического и организационного характера в рамках механизма государственно-частного партнерства.

В настоящем обзоре использования материалы XXV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва, НПО Орион) 2018 г.

Старцев В.В., Наумов А.В.