eng
Выпуск #1/2022
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев
Охлаждаемые фотоприемные устройства ИК-диапазона на «квантовых ямах» – состояние и перспективы развития
Охлаждаемые фотоприемные устройства ИК-диапазона на «квантовых ямах» – состояние и перспективы развития
Просмотры: 1584
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.1.22.36
Рассмотрены инфракрасные детекторы тепловизионной техники на квантовых ямах (КЯ). Устройства востребованы в системах и комплексах охранного наблюдения, персональных системах ночного видения и обеспечения безопасности. Рассмотрены охлаждаемые фотоприемные устройства (ФПУ) на КЯ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его тенденции развития.
Рассмотрены инфракрасные детекторы тепловизионной техники на квантовых ямах (КЯ). Устройства востребованы в системах и комплексах охранного наблюдения, персональных системах ночного видения и обеспечения безопасности. Рассмотрены охлаждаемые фотоприемные устройства (ФПУ) на КЯ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его тенденции развития.
Теги: photodetectors quantum wells thermal imagers квантовые ямы тепловизоры фотоприемные устройства
Охлаждаемые фотоприемные устройства ИК-диапазона на «квантовых ямах» –
состояние и перспективы развития
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев
Московский технологический университет (МИРЭА),
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,
Государственный научный центр РФ, Москва, Россия
АО «НПО «ОРИОН», Москва, Россия
АО «ОКБ «Астрон», Лыткарино, Моск. обл., Россия
Рассмотрены инфракрасные детекторы тепловизионной техники на квантовых ямах (КЯ). Устройства востребованы в системах и комплексах охранного наблюдения, персональных системах ночного видения и обеспечения безопасности. Рассмотрены охлаждаемые фотоприемные устройства (ФПУ) на КЯ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его тенденции развития.
Ключевые слова: тепловизоры, квантовые ямы, фотоприемные устройства
Статья получена: 10.01.2022
Статья принята: 28.01.2022
В последние годы темпы развития тепловизионной техники новых поколений заметно ускорились. Устройства с использованием тепловизоров позволяют осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости, проводить поиск и сопровождение целей и проч. Сферами применения также являются инфракрасная астрономия, медицина, метрология, военная техника [1, 2]. По прогнозу фирмы Yole Development рынок тепловизионных камер для ИК-систем (гражданских и военных) составив 6,2 млрд долл. в 2021 году, в 2026 году достигнет 8,7 млрд долл. (рис. 1).
Основные полупроводниковые фоточувствительные материалы и их особенности
Еще в конце 90‑х годов прошлого века различные обзоры разработок охлаждаемых ИК-фотоприемников включали в себя упоминания довольно обширного перечня приборов на основе различных фоточувствительных материалов, таких как примесный кремний, силициды платины, халькогениды свинца-олова, узкозонные твердые растворы InAsSb, HgCdTe, фотоприемные структуры на квантовых ямах (КЯ) и др. Сегодня перечень сократился фактически до четырех основных технологий: 1) технологии твердых растворов HgCdTe; 2) технологии соединений InGaAs; 3) технологии квантоворазмерных структур на квантовых ямах – КЯ (или QWIP – quantum well infrared photodetector) и ее более поздних производных – технологии структур с квантовыми точками (СКТ или QDIP) и 4) технологии сверхрешеток 2‑го рода (СР2Р или T2SL) в системе InAs / GaSb [2,3].
Доля ФПУ на КЯ в общих объемах производства сегодня достаточно мала (рис. 2) [1], но динамику развития ФПУ на основе КЯ можно оценить, как нам представляется на рис. 3.
Сравнение свойств различных фотоприемных материалов
Твердые растворы HgCdTe (кадмий-ртуть-теллур КРТ) считаются одними из наиболее перспективных фоточувствительных материалов. Однако эти ожидания пока оправдываются лишь отчасти. Если при создании ФПУ на диапазон 3–5 мкм на основе КРТ достигнуты весьма высокие показатели, то для диапазона 8–12 мкм и более длинноволнового с приемлемыми характеристиками удается пока производить только линейные и матричные фотоприемники относительно небольшого формата. Причиной этого явились высокая неоднородность характеристик КРТ для длинноволнового диапазона по площади кристалла, а также высокая чувствительность по отношению к различным внешним воздействующим факторам (температура, радиация и др.). В результате техническая возможность использования длинноволнового КРТ для ФПУ 3‑го поколения ограничена: такие фотоприемники оказываются чрезвычайно дорогими даже для специальных применений.
Возможность появления указанной проблемы была осознана разработчиками ИК-систем более 20 лет назад. Тогда же начались поиски альтернативных фоточувствительных материалов, позволяющих преодолеть отмеченные недостатки КРТ и максимально сохранить его достоинства. В ходе поисков были опробованы многочисленные материалы. Проведенные поиски привели к появлению нового класса фоточувствительных материалов: квантово размерных гетероструктур или структур с квантовыми ямами – КЯ [3, 6]. Эффект размерного квантования лежит в основе работы не только ФП СКЯ, но и более сложных в конструктивном и технологическом отношениях приборов на квантовых точках – QDIP – и сверхрешетках 2‑го рода – T2SL.
Однако приборы двух последних типов пока находятся в стадии создания экспериментальных образцов, и технологические проблемы, стоящие сегодня на пути их совершенствования, не дают пока возможности однозначно определить их перспективы.
Так, в приборах на основе QDIP, которым теоретические оценки предсказывают значительные преимущества по сравнению с QWIP по основным фотоэлектрическим характеристикам, сегодня удается реализовать главным образом лишь одно из них, заключающееся в отсутствии селективности по отношению к поляризации сигнального излучения [5, 6]. Главной причиной такого положения является отсутствие технологической возможности надежно контролировать размеры и однородность распределения квантовых точек в структуре. Приборы на основе T2SL показывают хорошие результаты: они имеют большую квантовую эффективность, большее время жизни и, как следствие, большую рабочую температуру, чем QWIP, могут работать в фотовольтаическом режиме. Однако T2SL структуры, по сравнению с КРТ, имеют пока в несколько раз большую остаточную концентрацию примесей в активной области, что вызывает избыточные туннельные токи.
Не решенной пока остается проблема надежной пассивации боковой поверхности мезадиодов, что вызывает поверхностные утечки и, в совокупности с туннельными утечками, приводит к ухудшению пороговых характеристик ФПУ. В результате ФПУ на основе T2SL сегодня приближаются по своим характеристикам к аналогам на основе КРТ, но еще далеки до приборной реализации в промышленных масштабах [7].
В данной статье будут рассматриваться некоторые свойства и характеристики охлаждаемых тепловых детекторах на «квантовых ямах» (КЯ или QWIP-структурах), чувствительных в инфракрасном (ИК) диапазоне с длинноволновой границей от 3 до 20 мкм, а также возможные перспективы развития рынка.
Принцип работы ФПУ на основе КЯ
В основе работы большинства фотонных ФПУ лежит одно общее явление: носитель тока (электрон, дырка, ион), находящийся в связанном (нейтральном) состоянии и не принимающий участия в создании электрического тока, при поглощении фотона переходит в свободное состояние, т. е. может перемещаться под действием электрического поля и создавать электрический ток. Такое ФПУ можно рассматривать как среду, содержащую множество потенциальных ям, в которых имеется, по крайней мере, по одному связанному энергетическому состоянию, занятому носителями заряда. Принцип формирования фоточувствительной среды из набора квантовых ям известен довольно давно (классические квантовые ямы теоретически исследовались еще на заре появления квантовой механики) [4, 5]. Одними из первых аналогов такой среды стали ФПУ на основе примесной фотопроводимости. Однако примесные атомы в кремнии (германии, арсениде галлия и т. п.) задают строго фиксированные энергетические характеристики квантовой ямы, что ограничивает возможности подстройки материала ФПУ к требованиям той или иной задачи. Поэтому у разработчиков ФПУ всегда был интерес к материалам, в которых можно, управляя «геометрическими» параметрами ямы: толщиной, высотой барьеров – изменять энергетическое положение уровней в ней. И благодаря прецизионным методам эпитаксии – эпитаксии из металлорганической газовой фазы (МОСГЭ) и молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) – такие материалы появились. Наиболее успешной реализация указанной идеи оказалась в системе материалов GaAs / AlGaAs. Рис. 4 и 5 поясняют принцип работы ФПУ на КЯ. В структурном отношении структура с КЯ представляет собой многослойную эпитаксиальную структуру, в которой чередуются слои GaAs – ямы и AlGaAs – барьеры (рис. 4). Указанные материалы имеют различные значения ширины запрещенной зоны. ФПУ на КЯ являются приборами на основных носителях заряда, т. е. такими, в которых носители, определяющие тип проводимости материала, определяют и его фоточувствительность.
Таким образом, в электронных структурах квантовые ямы легируют донорной примесью, в дырочных структурах – акцепторной, а фоточувствительность возникает благодаря оптическому возбуждению электронов или дырок из связанного состояния в зону проводимости или валентную зону соответственно. Типичные толщины слоев GaAs, при которых в яме располагается 1–2 уровня, имеют величину 40–50 А. Толщины барьеров из AlGaAs – 400–500 А. Для заполнения ям электронами (дырками) слои GaAs легируют кремнием (бериллием) до концентраций около 1018 см–3. При достаточном охлаждении электроны в основном заполняют нижний энергетический уровень в ямах. Подвижных носителей в зоне проводимости над барьерами относительно мало, и их концентрация определяется термогенерацией. Поэтому «темновая» проводимость структуры с КЯ определяется в основном этими носителями. При облучении структуры с КЯ фотонами, энергия которых превышает энергетическое расстояние между нижним уровнем в яме и верхним или верхушкой барьера, может происходить переход электрона между этими уровнями или между нижним уровнем и дном зоны проводимости барьера [5]. Далее электрон становится свободным и может двигаться под действием электрического поля, создавая, таким образом, фототок (рис. 5).
Согласно теоретическим расчетам, чувствительность ФПУ с КЯ зависит от поляризации поглощаемых фотонов, т. е. для эффективного поглощения электрический вектор поляризации фотона должен быть перпендикулярен слоям структуры с КЯ [5]. Для управления ориентацией вектора поляризации относительно слов с КЯ на поверхности фоточувствительных элементов стали формировать устройства ввода излучения в виде дифракционных решеток (как правило, фазовых), которые позволяют обеспечить требуемое направление распространения излучения. Использование дифракционных решеток оказывается полезным для повышения квантовой эффективности ФПУ. Принцип действия дифракционной решетки показан на рис. 6.
При создании многоэлементных ФПУ возникает необходимость считывания сигналов с чувствительных элементов. Обычно в охлаждаемых многоэлементных ФПУ, включая КЯ, считывание сигналов осуществляется с помощью кремниевых микросхем, соединяемых с фотоприемной секцией (рис. 7) [6,9]. Таким образом, ФПУ включает матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную с схемой считывания. Охлаждение обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения (МКС), работающей по циклу Стирлинга.
Появление ФПУ на основе КЯ и их применения
Первые сообщения о получении изображений с помощью фотоприемников на основе структур с КЯ появились в 1991 году [5]. Группа исследователей из Bell Laboratories (США) (B. F. Levine и др.) продемонстрировала тепловое изображение, полученное с помощью линейного фотоприемника на основе КЯ (диапазон 8–12 мкм) с использованием оптико-механического сканирования. К этому времени с момента первого экспериментального наблюдения эффекта фотопроводимости в КЯ прошло всего 4 года. В 1997 году была продемонстрирована тепловизионная камера с ФПУ, в котором использовался матричный фотоприемник на основе КЯ формата 256 × 256 элементов [6]. К настоящему времени на основе ФПУ с КЯ уже создано немало разнообразных ИК-систем, применяемых в Франции, Германии, США и др. [6, 7]. Сегодня уже являются обыденными сообщения о промышленно выпускаемых тепловизионных приборах с фотоприемной матрицей формата 640 × 480 элементов на основе КЯ на спектральные диапазоны как 3–5 мкм, так и 8–12 мкм.
Имеются сообщения и о создании фотоприемных матриц формата свыше 1 000 × 1 000 элементов, многоспектральных ФПУ [8,9]. При этом наиболее убедительно преимущества структур с КЯ проявляются в спектральном диапазоне 8–12 мкм и более длинноволновом.
Таким образом, сегодня технология КЯ представляет одну из основных технологий, благодаря которой происходит оснащение охлаждаемыми ФПУ ИК-систем различного назначения. При этом наибольшая востребованность ФПУ на КЯ отмечается в ИК-системах, в которых необходимы ФПУ длинноволнового диапазона большого формата, а также многоспектральные приборы [1, 6].
Сравнительный анализ охлаждаемых ФПУ длинноволнового спектра
Длинноволновые тепловизионные охлаждаемые ФПУ разрабатываются и производятся для спектра от 8 до 14мкм на основе нескольких технологий. Охлаждаемые ФПУ длинноволнового диапазона производят на основе гетероструктур тройных соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и на основе гетероструктур с КЯ. Основные производители представлены в табл. 1.
Характеристики длинноволновых КРТ и КЯ различаются, и каждый имеет свои плюсы и минусы. В России на протяжении последних нескольких лет было проведено несколько НИР и ОКР по разработке и освоению ФПУ длинноволнового диапазона. Основными разработчиками являлись НПО «Орион», ОКБ «Астрон» и ИФП СО РАН. На диапазон спектра 8–14 мкм матричные ФПУ разрешением 640 × 480 пкс производятся в настоящее время в АО «ОКБ «АСТРОН» и НПО «Орион». ОКБ «Астрон» производит неохлаждаемые ФПУ на основе матриц микроболометров типа Астрон‑64017 и охлаждаемые на основе гетероструктур с КЯ типа Астрон‑640КЯ20 на основе промышленно производимых в АО «Светлана-Рост» (СПб) гетероструктур с КЯ. ОКБ «Астрон» производит также охлаждаемые ФПУ на основе гетероструктур с КРТ типа АСТРОН‑640КРТ15А810 на основе производимых в ИФП СО РАН гетероструктур с КРТ. Производимые в НПО «Орион» ФПУ на диапазон 8–12мкм на КРТ имеют разрешение 320 × 240 пкс.
Основными достоинствами охлаждаемых ФПУ является их быстродействие (до 200 кадров в секунду) и высокая чувствительность. Надо отметить, что чувствительность длинноволновых охлаждаемых ФПУ (около 35 мК) уступает коротковолновым приемникам (около 15–20 мК) примерно в 2 раза и сопоставима с чувствительностью микроболометрических матриц.
Наиболее известными приемниками в России являются французские Scorpio LW на КРТ и Sirius LW на КЯ. Сравним используемые в РФ приемники французской фирмы LYNRED на соединении КРТ типа Scorpio LW, на квантовых ямах Sirius LW и приемник ОКБ «Астрон» на квантовых ямах (табл. 2).
У французских приемников видна разница в количестве годных пикселей между приемниками КРТ и QWIP в пользу последних (99,9%). Это обусловлено прежде всего физикой самих гетероструктур на квантовых ямах и зрелой технологией роста.
Многочисленные публикации отмечают большую стабильность и повторяемость технологических процессов создания структур на квантовых ямах. Это подтверждают и показатели отечественных ФПУ на квантовых ямах, выращенных на предприятии АО «Светлана-Рост» для приемников ОКБ «Астрон».
У приемника на КРТ немного больше область спектрального диапазона (7,7–9,3 мкм) с пиком в области 8,5 мкм и по 0,7 мкм в обе стороны. У приемников на КЯ при пике на 8,5 мкм диапазон уже – у Астрон ±0,3 мкм в обе стороны, у Sirius ±0,5 мкм в обе стороны.
Также следует отметить большую однородность чувствительности пикселей на матрице приемника Астрон‑640КЯ20, что хорошо видно на гистограмме рис. 8.
Приемники на КРТ имеют лучше показатели по чувствительности как в диапазоне 3–5 мкм, так и в 7–14 мкм. Однако уровень годных пикселей на длинноволновых матрицах КРТ имеет неприемлемый для многих задач уровень 98%. Приемники на КЯ имеют промышленную повторяемость качества, хорошую равномерность чувствительности пикселей на пластине и высокий (99,9%) уровень годных пикселей. Сравнение приемников на основе КЯ фирмы LYNRED и ОКБ «Астрон» показывает идентичность основных показателей как в размере пикселя (20 мкм), так и средней чувствительности пикселей на матрице (рис. 9).
Ситуация в России
В России проблема обеспечения разработок и производства в области ИК-фотоэлектроники отечественными фоточувствительными материалами стоит достаточно остро. Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий, сосредоточенных в АО «Швабе» и АО «Росэлектроника», в Российской академии наук, а также в частных предприятиях. 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. 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 ФПУ собственного производства, а также охлаждаемых ФПУ на основе КЯ совместно с «Светлана-Рост» и микрохолодильной системы Астрон-МКС500.[9]
Таким образом, в настоящее время в России разработаны ФПУ второго поколения, а также крупноформатные и смотрящие ИК ФПУ. Достигнутые результаты близки по своим показателям мировому уровню [9, 10].
Тенденции развития ФПУ на КЯ
Несмотря на впечатляющие успехи в области разработки ФПУ с КЯ, сегодня остается ряд проблем, который ограничивает круг применений данной технологии. Разработка охлаждаемого ФПУ 3‑го поколения преследует цель получить в результате прибор большого формата с пороговой чувствительностью (в одном или нескольких спектральных диапазонах), близкой к предельной, при максимально возможной рабочей температуре.
Именно по пороговой чувствительности и рабочей температуре ФПУ на КЯ уступают сегодня аналогам на основе КРТ. Для улучшения указанных характеристик ФПУ на КЯ необходимо проведение исследований фундаментального характера с целью уточнения физических механизмов, лежащих в основе работы ФПУ на КЯ, а также поиска конструктивных и технологических решений, учитывающих новые результаты исследований. Важнейшим фактором, определяющим пороговую чувствительность любого ФПУ, является квантовая эффективность. По данному показателю ФПУ на КЯ пока уступают узкозонным аналогам. Однако, как показано в ряде публикаций, такое отставание может быть сведено к минимуму за счет усовершенствования конструкций чувствительных элементов ФПУ [5, 6].
Рабочая температура, кроме квантовой эффективности, зависит также от времени жизни носителей в активной области и от конструкции КЯ. Как уже отмечалось, структурв на КЯ по своей природе во многом аналогичны примесным фотосопротивлениям. Указанное сходство позволяет использовать для увеличения времени жизни в КЯ те же методы, что и в примесных фотосопротивлениях, в которых вероятность захвата носителя на примесный центр может быть уменьшена на несколько порядков путем преобразования этого центра из нейтрального в заряженный [5]. Аналогичный прием может быть применен и в структуре с КЯ посредством легирования не квантовой ямы, а барьера, в результате чего яма будет заряжена отрицательно, и свободные носители будут отталкиваться от нее, т. е. вероятность захвата в яму уменьшится, а время жизни возрастет. Для реализации указанного метода увеличения времени жизни необходимы как конструктивные, так и технологические усовершенствования при создании ФПУ с КЯ.
Также резкость границ барьер – яма весьма существенным образом может влиять на время жизни, темновой ток и, как следствие, на пороговую чувствительность [5, 8]. В смотрящих ФПУ особую актуальность приобрели однородность чувствительности по матрице, количество дефектных элементов.
Одним из достоинств ФПУ на КЯ является их потенциально высокая стойкость по отношению к разного рода внешним воздействующим факторам. В первую очередь, это стойкость по отношению к ионизирующим излучениям и лазерному воздействию большой энергии. Однако сообщения о проведении исследований в указанных областях в зарубежной периодике практически отсутствуют. Ввиду особой важности указанных свойств ФПУ для различных специальных применений проведение исследований стойкости ФПУ на КЯ является актуальным.
Отмеченные выше физико-технологические проблемы создания ФПУ на основе КЯ характеризуют данное направление в целом, однако они имеют особое значение для России, где сохраняется отставание отечественной прикладной науки в данной области [11].
Это требует как фундаментальных исследований в области физики низкоразмерных полупроводников и ИК-фотоники [12–14], так и разработки перспективных прикладных применений в различных областях техники [15–17].
Заключение
Последнее десятилетие можно охарактеризовать как период стремительного развития технологий КЯ и приборов на его основе. Такие ФПУ разрабатываются практически всеми ведущими фирмами. Достигаемое при их применении повышение информативности и вероятности обнаружения и распознавания, а также компактность комплексированных оптико-электронных систем являются основными движущими силами развития этого направления. В следующем десятилетии двухспектральные ФПУ, наряду с мегапикселными, станут основными коммерчески доступными изделиями ИК-фотоэлектроники. Для реализации двухспектральных ФПУ, чувствительных в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм, применяют технологии на основе КЯ.
Нам представляется, что в России продолжается отставание от ведущих зарубежных компаний в области разработки ФПУ, и просто финансовых, пусть даже значительных вливаний в существующие организационные структуры для его преодоления недостаточно. Задача достижения паритета с мировым уровнем, а также создания научно-технического и технологического заделов для развития ФПУ могжет быть решена программно-целевым методом, предусматривающим проведение комплекса мероприятий технического, финансового и организационного характера в рамках механизма государственно-частного партнерства.
REFERENCES
Burlakov I. D., Ponomarenko V. P. Sovremennoe sostoyanie i tendencii razvitiya fotoelektroniki. Materialy XXV Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii po fotoelektronike i priboram nochnogo videniya. – M: NPO Orion. 2018. p.5.
Бурлаков И. Д., Пономаренко В. П. Современное состояние и тенденции развития фотоэлектроники. Материалы XXV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. – М: НПО Орион. 2018. с. 5.
Rogalsky A. Infrared and Terahertz Detectors (Third Edition). – New York-CRC Press of Taylor & Francis Group. 2019. 1043 р.
Sizov F., Rogalsky A. Opto-Electronics Review. 2011;19(3):346.
Filachev A. M., Taubkin I. I., Trishenkov M. A. Tverdotel’naya fotoelektronika. Fotorezistory i fotopriemnye ustrojstva. – M.: Fizmatkniga. 2012. 368 p.
Филачев А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. – М.: Физматкнига. 2012. 368 p.
Patent RU 2589759. Photodetector based on a structure with quantum wells / «Cyclone»: Solodkov A. A., Tarasov V. V., Kulikov V. B.
Патент RU 2589759. Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами / ЦНИИ «Циклон»: Солодков А. А., Тарасов В. В., Куликов В. Б.
Razeghi M. Technology of Quantum Devices. – New York: Springer US. 2010.
Kovshov S., Nikonov A. V., Pashkeev D. A., Lopatina E. A. Sovremennoe sostoyanie razrabotok i issledovanij sverhreshetok II tipa dlya priborov IK-fotoelektroniki. Uspekhi prikladnoj fiziki. 2021;9(2): 97–111. DOI: 10.51368/2307-4469-2021-9-2-97-111.
Ковшов С., Никонов А. В., Пашкеев Д. А., Лопатина Е. А. Современное состояние разработок и исследований сверхрешеток II типа для приборов ИК-фотоэлектроники (обзор). Успехи прикладной физики. 2021;9(2): 97–111. DOI: 10.51368/2307-4469-2021-9-2-97-111.
Sizov F. F. IK-Fotoelektronika: Fotonnye ili teplovye detektory? Perspektiv. Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies. 2015;12(1): 25–52.
Kul’chickij N.A., Naumov A. V., Starcev V. V. Infrared Focal Plane Array Detectors: «Post -Pandemic» Development Trends. Part I. Photonics Russia. 2020;14(3):234–244. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.234.244.
Кульчицкий В. Н., Наумов А. В., Старцев В. В. Матричные фотоприемные устройства ИК диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть 1. Фотоника. 2020;14(3):234–244. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.234.244.
Samvelov A. V., YAsev S. G., Moskalenko A. S., Starcev V. V., Pahomov O. V. Micro-Cryogenic Stirling Cooler with a Combined Regenerator and Magnetocaloric Cooling Step. Photonics Russia. 2019;13(5):496–499. DOI: 10.22184/FRos.2019.13.5.496.499.
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Пахомов О. В. Микрокриогенная система Стирлинга с комбинированным регенератором и магнитокалорической ступенью охлаждения. Фотоника. 2019;13(5):496–499. DOI: 10.22184/FRos.2019.13.5.496.499.
Kul’chickij N.A., Naumov A. V., Starcev V. V. Neohlazhdaemye mikrobolometry infrakrasnogo diapazona-sovremennoe sostoyanie i tendencii razvitiya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2018;20(10):613–624.
Кульчицкий Н. А., Наумов А. В., Старцев В. В. Неохлаждаемые микроболометры инфракрасного диапазона-современное состояние и тенденции развития. Нано- и микросистемная техника. 2018;20(10):613–624.
Nikolaev S. N., Bagaev V. S., Krivobok V. S., Davletov E. T., Gulyashko A. S., Kopytov G. F., Vasil’chenko A. A. Multicomponent Structure of an Electron-Hole Liquid in Shallow SiGe/Si Quantum Wells. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018; 82:427–430. DOI:10.3103/S1062873818040135.
Glazov M. M., Suris R. A. Collective states of excitons in semiconductors. Phys. Usp. 2020; 63: 1051–1071. DOI:10.3367/UFNe.2019.10.038663.
Karimullin, K.R., Arzhanov A. I., Eremchev I. Y., Kulnitskiy B. A., Surovtsev N. V., Naumov A. V. Combined photon-echo, luminescence and Raman spectroscopies of layered ensembles of colloidal quantum dots. Laser Phys. 2019; 29: 124009. DOI:10.1088/1555-6611/ab4bdb.
Rozhentsov A. A., Baev A. A., Gromyko D. S. Resolving and Estimating Signal Parameters in Infrared, Raman, and Terahertz Spectrometers and Other Analytical Tools. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018; 82: 1518–1521. DOI: 10.3103/S1062873818120183.
Romanovskii O. A., Sadovnikov S. A., Kharchenko O. V., Yakovlev S. V. Broadband IR Lidar for Gas Analysis of the Atmosphere. J. Appl. Spectrosc. 2018; 85: 457–461. DOI: 10.1007/s10812-018-0672‑y.
Rocheva V. V., Khochenkov D. A., Generalova A. N., Nechaev A. V., Semchishen V. A., Stepanova E. V., Sokolov V. I., Khaydukov E. V., Panchenko V. Y. Upconversion nanoparticles for tumor imaging with near-infrared radiation. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2016; 80: 467–470. DOI: 10.3103/S1062873816040274.
ОБ АВТОРАХ
Кульчицкий Николай Александрович, д.т.н., e-mail: n.kulchitsky@gmail.com, профессор, Московский технологический университет (МИРЭА), главный специалист, ГНЦ РФ,
АО «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Наумов Аркадий Валерьевич инженер-аналитик,
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев Вадим Валерьевич, к.т.н, главный конструктор,
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544
состояние и перспективы развития
Н. А. Кульчицкий, А. В. Наумов, В. В. Старцев
Московский технологический университет (МИРЭА),
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,
Государственный научный центр РФ, Москва, Россия
АО «НПО «ОРИОН», Москва, Россия
АО «ОКБ «Астрон», Лыткарино, Моск. обл., Россия
Рассмотрены инфракрасные детекторы тепловизионной техники на квантовых ямах (КЯ). Устройства востребованы в системах и комплексах охранного наблюдения, персональных системах ночного видения и обеспечения безопасности. Рассмотрены охлаждаемые фотоприемные устройства (ФПУ) на КЯ для спектрального диапазона 3–5 мкм, 8–12 мкм. Представлено сравнение тепловых детекторов разного типа от разных мировых производителей. Дан экспертный прогноз изменений динамики роста рынка и его тенденции развития.
Ключевые слова: тепловизоры, квантовые ямы, фотоприемные устройства
Статья получена: 10.01.2022
Статья принята: 28.01.2022
В последние годы темпы развития тепловизионной техники новых поколений заметно ускорились. Устройства с использованием тепловизоров позволяют осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости, проводить поиск и сопровождение целей и проч. Сферами применения также являются инфракрасная астрономия, медицина, метрология, военная техника [1, 2]. По прогнозу фирмы Yole Development рынок тепловизионных камер для ИК-систем (гражданских и военных) составив 6,2 млрд долл. в 2021 году, в 2026 году достигнет 8,7 млрд долл. (рис. 1).
Основные полупроводниковые фоточувствительные материалы и их особенности
Еще в конце 90‑х годов прошлого века различные обзоры разработок охлаждаемых ИК-фотоприемников включали в себя упоминания довольно обширного перечня приборов на основе различных фоточувствительных материалов, таких как примесный кремний, силициды платины, халькогениды свинца-олова, узкозонные твердые растворы InAsSb, HgCdTe, фотоприемные структуры на квантовых ямах (КЯ) и др. Сегодня перечень сократился фактически до четырех основных технологий: 1) технологии твердых растворов HgCdTe; 2) технологии соединений InGaAs; 3) технологии квантоворазмерных структур на квантовых ямах – КЯ (или QWIP – quantum well infrared photodetector) и ее более поздних производных – технологии структур с квантовыми точками (СКТ или QDIP) и 4) технологии сверхрешеток 2‑го рода (СР2Р или T2SL) в системе InAs / GaSb [2,3].
Доля ФПУ на КЯ в общих объемах производства сегодня достаточно мала (рис. 2) [1], но динамику развития ФПУ на основе КЯ можно оценить, как нам представляется на рис. 3.
Сравнение свойств различных фотоприемных материалов
Твердые растворы HgCdTe (кадмий-ртуть-теллур КРТ) считаются одними из наиболее перспективных фоточувствительных материалов. Однако эти ожидания пока оправдываются лишь отчасти. Если при создании ФПУ на диапазон 3–5 мкм на основе КРТ достигнуты весьма высокие показатели, то для диапазона 8–12 мкм и более длинноволнового с приемлемыми характеристиками удается пока производить только линейные и матричные фотоприемники относительно небольшого формата. Причиной этого явились высокая неоднородность характеристик КРТ для длинноволнового диапазона по площади кристалла, а также высокая чувствительность по отношению к различным внешним воздействующим факторам (температура, радиация и др.). В результате техническая возможность использования длинноволнового КРТ для ФПУ 3‑го поколения ограничена: такие фотоприемники оказываются чрезвычайно дорогими даже для специальных применений.
Возможность появления указанной проблемы была осознана разработчиками ИК-систем более 20 лет назад. Тогда же начались поиски альтернативных фоточувствительных материалов, позволяющих преодолеть отмеченные недостатки КРТ и максимально сохранить его достоинства. В ходе поисков были опробованы многочисленные материалы. Проведенные поиски привели к появлению нового класса фоточувствительных материалов: квантово размерных гетероструктур или структур с квантовыми ямами – КЯ [3, 6]. Эффект размерного квантования лежит в основе работы не только ФП СКЯ, но и более сложных в конструктивном и технологическом отношениях приборов на квантовых точках – QDIP – и сверхрешетках 2‑го рода – T2SL.
Однако приборы двух последних типов пока находятся в стадии создания экспериментальных образцов, и технологические проблемы, стоящие сегодня на пути их совершенствования, не дают пока возможности однозначно определить их перспективы.
Так, в приборах на основе QDIP, которым теоретические оценки предсказывают значительные преимущества по сравнению с QWIP по основным фотоэлектрическим характеристикам, сегодня удается реализовать главным образом лишь одно из них, заключающееся в отсутствии селективности по отношению к поляризации сигнального излучения [5, 6]. Главной причиной такого положения является отсутствие технологической возможности надежно контролировать размеры и однородность распределения квантовых точек в структуре. Приборы на основе T2SL показывают хорошие результаты: они имеют большую квантовую эффективность, большее время жизни и, как следствие, большую рабочую температуру, чем QWIP, могут работать в фотовольтаическом режиме. Однако T2SL структуры, по сравнению с КРТ, имеют пока в несколько раз большую остаточную концентрацию примесей в активной области, что вызывает избыточные туннельные токи.
Не решенной пока остается проблема надежной пассивации боковой поверхности мезадиодов, что вызывает поверхностные утечки и, в совокупности с туннельными утечками, приводит к ухудшению пороговых характеристик ФПУ. В результате ФПУ на основе T2SL сегодня приближаются по своим характеристикам к аналогам на основе КРТ, но еще далеки до приборной реализации в промышленных масштабах [7].
В данной статье будут рассматриваться некоторые свойства и характеристики охлаждаемых тепловых детекторах на «квантовых ямах» (КЯ или QWIP-структурах), чувствительных в инфракрасном (ИК) диапазоне с длинноволновой границей от 3 до 20 мкм, а также возможные перспективы развития рынка.
Принцип работы ФПУ на основе КЯ
В основе работы большинства фотонных ФПУ лежит одно общее явление: носитель тока (электрон, дырка, ион), находящийся в связанном (нейтральном) состоянии и не принимающий участия в создании электрического тока, при поглощении фотона переходит в свободное состояние, т. е. может перемещаться под действием электрического поля и создавать электрический ток. Такое ФПУ можно рассматривать как среду, содержащую множество потенциальных ям, в которых имеется, по крайней мере, по одному связанному энергетическому состоянию, занятому носителями заряда. Принцип формирования фоточувствительной среды из набора квантовых ям известен довольно давно (классические квантовые ямы теоретически исследовались еще на заре появления квантовой механики) [4, 5]. Одними из первых аналогов такой среды стали ФПУ на основе примесной фотопроводимости. Однако примесные атомы в кремнии (германии, арсениде галлия и т. п.) задают строго фиксированные энергетические характеристики квантовой ямы, что ограничивает возможности подстройки материала ФПУ к требованиям той или иной задачи. Поэтому у разработчиков ФПУ всегда был интерес к материалам, в которых можно, управляя «геометрическими» параметрами ямы: толщиной, высотой барьеров – изменять энергетическое положение уровней в ней. И благодаря прецизионным методам эпитаксии – эпитаксии из металлорганической газовой фазы (МОСГЭ) и молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) – такие материалы появились. Наиболее успешной реализация указанной идеи оказалась в системе материалов GaAs / AlGaAs. Рис. 4 и 5 поясняют принцип работы ФПУ на КЯ. В структурном отношении структура с КЯ представляет собой многослойную эпитаксиальную структуру, в которой чередуются слои GaAs – ямы и AlGaAs – барьеры (рис. 4). Указанные материалы имеют различные значения ширины запрещенной зоны. ФПУ на КЯ являются приборами на основных носителях заряда, т. е. такими, в которых носители, определяющие тип проводимости материала, определяют и его фоточувствительность.
Таким образом, в электронных структурах квантовые ямы легируют донорной примесью, в дырочных структурах – акцепторной, а фоточувствительность возникает благодаря оптическому возбуждению электронов или дырок из связанного состояния в зону проводимости или валентную зону соответственно. Типичные толщины слоев GaAs, при которых в яме располагается 1–2 уровня, имеют величину 40–50 А. Толщины барьеров из AlGaAs – 400–500 А. Для заполнения ям электронами (дырками) слои GaAs легируют кремнием (бериллием) до концентраций около 1018 см–3. При достаточном охлаждении электроны в основном заполняют нижний энергетический уровень в ямах. Подвижных носителей в зоне проводимости над барьерами относительно мало, и их концентрация определяется термогенерацией. Поэтому «темновая» проводимость структуры с КЯ определяется в основном этими носителями. При облучении структуры с КЯ фотонами, энергия которых превышает энергетическое расстояние между нижним уровнем в яме и верхним или верхушкой барьера, может происходить переход электрона между этими уровнями или между нижним уровнем и дном зоны проводимости барьера [5]. Далее электрон становится свободным и может двигаться под действием электрического поля, создавая, таким образом, фототок (рис. 5).
Согласно теоретическим расчетам, чувствительность ФПУ с КЯ зависит от поляризации поглощаемых фотонов, т. е. для эффективного поглощения электрический вектор поляризации фотона должен быть перпендикулярен слоям структуры с КЯ [5]. Для управления ориентацией вектора поляризации относительно слов с КЯ на поверхности фоточувствительных элементов стали формировать устройства ввода излучения в виде дифракционных решеток (как правило, фазовых), которые позволяют обеспечить требуемое направление распространения излучения. Использование дифракционных решеток оказывается полезным для повышения квантовой эффективности ФПУ. Принцип действия дифракционной решетки показан на рис. 6.
При создании многоэлементных ФПУ возникает необходимость считывания сигналов с чувствительных элементов. Обычно в охлаждаемых многоэлементных ФПУ, включая КЯ, считывание сигналов осуществляется с помощью кремниевых микросхем, соединяемых с фотоприемной секцией (рис. 7) [6,9]. Таким образом, ФПУ включает матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную с схемой считывания. Охлаждение обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения (МКС), работающей по циклу Стирлинга.
Появление ФПУ на основе КЯ и их применения
Первые сообщения о получении изображений с помощью фотоприемников на основе структур с КЯ появились в 1991 году [5]. Группа исследователей из Bell Laboratories (США) (B. F. Levine и др.) продемонстрировала тепловое изображение, полученное с помощью линейного фотоприемника на основе КЯ (диапазон 8–12 мкм) с использованием оптико-механического сканирования. К этому времени с момента первого экспериментального наблюдения эффекта фотопроводимости в КЯ прошло всего 4 года. В 1997 году была продемонстрирована тепловизионная камера с ФПУ, в котором использовался матричный фотоприемник на основе КЯ формата 256 × 256 элементов [6]. К настоящему времени на основе ФПУ с КЯ уже создано немало разнообразных ИК-систем, применяемых в Франции, Германии, США и др. [6, 7]. Сегодня уже являются обыденными сообщения о промышленно выпускаемых тепловизионных приборах с фотоприемной матрицей формата 640 × 480 элементов на основе КЯ на спектральные диапазоны как 3–5 мкм, так и 8–12 мкм.
Имеются сообщения и о создании фотоприемных матриц формата свыше 1 000 × 1 000 элементов, многоспектральных ФПУ [8,9]. При этом наиболее убедительно преимущества структур с КЯ проявляются в спектральном диапазоне 8–12 мкм и более длинноволновом.
Таким образом, сегодня технология КЯ представляет одну из основных технологий, благодаря которой происходит оснащение охлаждаемыми ФПУ ИК-систем различного назначения. При этом наибольшая востребованность ФПУ на КЯ отмечается в ИК-системах, в которых необходимы ФПУ длинноволнового диапазона большого формата, а также многоспектральные приборы [1, 6].
Сравнительный анализ охлаждаемых ФПУ длинноволнового спектра
Длинноволновые тепловизионные охлаждаемые ФПУ разрабатываются и производятся для спектра от 8 до 14мкм на основе нескольких технологий. Охлаждаемые ФПУ длинноволнового диапазона производят на основе гетероструктур тройных соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и на основе гетероструктур с КЯ. Основные производители представлены в табл. 1.
Характеристики длинноволновых КРТ и КЯ различаются, и каждый имеет свои плюсы и минусы. В России на протяжении последних нескольких лет было проведено несколько НИР и ОКР по разработке и освоению ФПУ длинноволнового диапазона. Основными разработчиками являлись НПО «Орион», ОКБ «Астрон» и ИФП СО РАН. На диапазон спектра 8–14 мкм матричные ФПУ разрешением 640 × 480 пкс производятся в настоящее время в АО «ОКБ «АСТРОН» и НПО «Орион». ОКБ «Астрон» производит неохлаждаемые ФПУ на основе матриц микроболометров типа Астрон‑64017 и охлаждаемые на основе гетероструктур с КЯ типа Астрон‑640КЯ20 на основе промышленно производимых в АО «Светлана-Рост» (СПб) гетероструктур с КЯ. ОКБ «Астрон» производит также охлаждаемые ФПУ на основе гетероструктур с КРТ типа АСТРОН‑640КРТ15А810 на основе производимых в ИФП СО РАН гетероструктур с КРТ. Производимые в НПО «Орион» ФПУ на диапазон 8–12мкм на КРТ имеют разрешение 320 × 240 пкс.
Основными достоинствами охлаждаемых ФПУ является их быстродействие (до 200 кадров в секунду) и высокая чувствительность. Надо отметить, что чувствительность длинноволновых охлаждаемых ФПУ (около 35 мК) уступает коротковолновым приемникам (около 15–20 мК) примерно в 2 раза и сопоставима с чувствительностью микроболометрических матриц.
Наиболее известными приемниками в России являются французские Scorpio LW на КРТ и Sirius LW на КЯ. Сравним используемые в РФ приемники французской фирмы LYNRED на соединении КРТ типа Scorpio LW, на квантовых ямах Sirius LW и приемник ОКБ «Астрон» на квантовых ямах (табл. 2).
У французских приемников видна разница в количестве годных пикселей между приемниками КРТ и QWIP в пользу последних (99,9%). Это обусловлено прежде всего физикой самих гетероструктур на квантовых ямах и зрелой технологией роста.
Многочисленные публикации отмечают большую стабильность и повторяемость технологических процессов создания структур на квантовых ямах. Это подтверждают и показатели отечественных ФПУ на квантовых ямах, выращенных на предприятии АО «Светлана-Рост» для приемников ОКБ «Астрон».
У приемника на КРТ немного больше область спектрального диапазона (7,7–9,3 мкм) с пиком в области 8,5 мкм и по 0,7 мкм в обе стороны. У приемников на КЯ при пике на 8,5 мкм диапазон уже – у Астрон ±0,3 мкм в обе стороны, у Sirius ±0,5 мкм в обе стороны.
Также следует отметить большую однородность чувствительности пикселей на матрице приемника Астрон‑640КЯ20, что хорошо видно на гистограмме рис. 8.
Приемники на КРТ имеют лучше показатели по чувствительности как в диапазоне 3–5 мкм, так и в 7–14 мкм. Однако уровень годных пикселей на длинноволновых матрицах КРТ имеет неприемлемый для многих задач уровень 98%. Приемники на КЯ имеют промышленную повторяемость качества, хорошую равномерность чувствительности пикселей на пластине и высокий (99,9%) уровень годных пикселей. Сравнение приемников на основе КЯ фирмы LYNRED и ОКБ «Астрон» показывает идентичность основных показателей как в размере пикселя (20 мкм), так и средней чувствительности пикселей на матрице (рис. 9).
Ситуация в России
В России проблема обеспечения разработок и производства в области ИК-фотоэлектроники отечественными фоточувствительными материалами стоит достаточно остро. Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий, сосредоточенных в АО «Швабе» и АО «Росэлектроника», в Российской академии наук, а также в частных предприятиях. 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. 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 ФПУ собственного производства, а также охлаждаемых ФПУ на основе КЯ совместно с «Светлана-Рост» и микрохолодильной системы Астрон-МКС500.[9]
Таким образом, в настоящее время в России разработаны ФПУ второго поколения, а также крупноформатные и смотрящие ИК ФПУ. Достигнутые результаты близки по своим показателям мировому уровню [9, 10].
Тенденции развития ФПУ на КЯ
Несмотря на впечатляющие успехи в области разработки ФПУ с КЯ, сегодня остается ряд проблем, который ограничивает круг применений данной технологии. Разработка охлаждаемого ФПУ 3‑го поколения преследует цель получить в результате прибор большого формата с пороговой чувствительностью (в одном или нескольких спектральных диапазонах), близкой к предельной, при максимально возможной рабочей температуре.
Именно по пороговой чувствительности и рабочей температуре ФПУ на КЯ уступают сегодня аналогам на основе КРТ. Для улучшения указанных характеристик ФПУ на КЯ необходимо проведение исследований фундаментального характера с целью уточнения физических механизмов, лежащих в основе работы ФПУ на КЯ, а также поиска конструктивных и технологических решений, учитывающих новые результаты исследований. Важнейшим фактором, определяющим пороговую чувствительность любого ФПУ, является квантовая эффективность. По данному показателю ФПУ на КЯ пока уступают узкозонным аналогам. Однако, как показано в ряде публикаций, такое отставание может быть сведено к минимуму за счет усовершенствования конструкций чувствительных элементов ФПУ [5, 6].
Рабочая температура, кроме квантовой эффективности, зависит также от времени жизни носителей в активной области и от конструкции КЯ. Как уже отмечалось, структурв на КЯ по своей природе во многом аналогичны примесным фотосопротивлениям. Указанное сходство позволяет использовать для увеличения времени жизни в КЯ те же методы, что и в примесных фотосопротивлениях, в которых вероятность захвата носителя на примесный центр может быть уменьшена на несколько порядков путем преобразования этого центра из нейтрального в заряженный [5]. Аналогичный прием может быть применен и в структуре с КЯ посредством легирования не квантовой ямы, а барьера, в результате чего яма будет заряжена отрицательно, и свободные носители будут отталкиваться от нее, т. е. вероятность захвата в яму уменьшится, а время жизни возрастет. Для реализации указанного метода увеличения времени жизни необходимы как конструктивные, так и технологические усовершенствования при создании ФПУ с КЯ.
Также резкость границ барьер – яма весьма существенным образом может влиять на время жизни, темновой ток и, как следствие, на пороговую чувствительность [5, 8]. В смотрящих ФПУ особую актуальность приобрели однородность чувствительности по матрице, количество дефектных элементов.
Одним из достоинств ФПУ на КЯ является их потенциально высокая стойкость по отношению к разного рода внешним воздействующим факторам. В первую очередь, это стойкость по отношению к ионизирующим излучениям и лазерному воздействию большой энергии. Однако сообщения о проведении исследований в указанных областях в зарубежной периодике практически отсутствуют. Ввиду особой важности указанных свойств ФПУ для различных специальных применений проведение исследований стойкости ФПУ на КЯ является актуальным.
Отмеченные выше физико-технологические проблемы создания ФПУ на основе КЯ характеризуют данное направление в целом, однако они имеют особое значение для России, где сохраняется отставание отечественной прикладной науки в данной области [11].
Это требует как фундаментальных исследований в области физики низкоразмерных полупроводников и ИК-фотоники [12–14], так и разработки перспективных прикладных применений в различных областях техники [15–17].
Заключение
Последнее десятилетие можно охарактеризовать как период стремительного развития технологий КЯ и приборов на его основе. Такие ФПУ разрабатываются практически всеми ведущими фирмами. Достигаемое при их применении повышение информативности и вероятности обнаружения и распознавания, а также компактность комплексированных оптико-электронных систем являются основными движущими силами развития этого направления. В следующем десятилетии двухспектральные ФПУ, наряду с мегапикселными, станут основными коммерчески доступными изделиями ИК-фотоэлектроники. Для реализации двухспектральных ФПУ, чувствительных в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм, применяют технологии на основе КЯ.
Нам представляется, что в России продолжается отставание от ведущих зарубежных компаний в области разработки ФПУ, и просто финансовых, пусть даже значительных вливаний в существующие организационные структуры для его преодоления недостаточно. Задача достижения паритета с мировым уровнем, а также создания научно-технического и технологического заделов для развития ФПУ могжет быть решена программно-целевым методом, предусматривающим проведение комплекса мероприятий технического, финансового и организационного характера в рамках механизма государственно-частного партнерства.
REFERENCES
Burlakov I. D., Ponomarenko V. P. Sovremennoe sostoyanie i tendencii razvitiya fotoelektroniki. Materialy XXV Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii po fotoelektronike i priboram nochnogo videniya. – M: NPO Orion. 2018. p.5.
Бурлаков И. Д., Пономаренко В. П. Современное состояние и тенденции развития фотоэлектроники. Материалы XXV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. – М: НПО Орион. 2018. с. 5.
Rogalsky A. Infrared and Terahertz Detectors (Third Edition). – New York-CRC Press of Taylor & Francis Group. 2019. 1043 р.
Sizov F., Rogalsky A. Opto-Electronics Review. 2011;19(3):346.
Filachev A. M., Taubkin I. I., Trishenkov M. A. Tverdotel’naya fotoelektronika. Fotorezistory i fotopriemnye ustrojstva. – M.: Fizmatkniga. 2012. 368 p.
Филачев А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. – М.: Физматкнига. 2012. 368 p.
Patent RU 2589759. Photodetector based on a structure with quantum wells / «Cyclone»: Solodkov A. A., Tarasov V. V., Kulikov V. B.
Патент RU 2589759. Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами / ЦНИИ «Циклон»: Солодков А. А., Тарасов В. В., Куликов В. Б.
Razeghi M. Technology of Quantum Devices. – New York: Springer US. 2010.
Kovshov S., Nikonov A. V., Pashkeev D. A., Lopatina E. A. Sovremennoe sostoyanie razrabotok i issledovanij sverhreshetok II tipa dlya priborov IK-fotoelektroniki. Uspekhi prikladnoj fiziki. 2021;9(2): 97–111. DOI: 10.51368/2307-4469-2021-9-2-97-111.
Ковшов С., Никонов А. В., Пашкеев Д. А., Лопатина Е. А. Современное состояние разработок и исследований сверхрешеток II типа для приборов ИК-фотоэлектроники (обзор). Успехи прикладной физики. 2021;9(2): 97–111. DOI: 10.51368/2307-4469-2021-9-2-97-111.
Sizov F. F. IK-Fotoelektronika: Fotonnye ili teplovye detektory? Perspektiv. Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies. 2015;12(1): 25–52.
Kul’chickij N.A., Naumov A. V., Starcev V. V. Infrared Focal Plane Array Detectors: «Post -Pandemic» Development Trends. Part I. Photonics Russia. 2020;14(3):234–244. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.234.244.
Кульчицкий В. Н., Наумов А. В., Старцев В. В. Матричные фотоприемные устройства ИК диапазона: «постпандемические» тенденции развития. Часть 1. Фотоника. 2020;14(3):234–244. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.234.244.
Samvelov A. V., YAsev S. G., Moskalenko A. S., Starcev V. V., Pahomov O. V. Micro-Cryogenic Stirling Cooler with a Combined Regenerator and Magnetocaloric Cooling Step. Photonics Russia. 2019;13(5):496–499. DOI: 10.22184/FRos.2019.13.5.496.499.
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Пахомов О. В. Микрокриогенная система Стирлинга с комбинированным регенератором и магнитокалорической ступенью охлаждения. Фотоника. 2019;13(5):496–499. DOI: 10.22184/FRos.2019.13.5.496.499.
Kul’chickij N.A., Naumov A. V., Starcev V. V. Neohlazhdaemye mikrobolometry infrakrasnogo diapazona-sovremennoe sostoyanie i tendencii razvitiya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2018;20(10):613–624.
Кульчицкий Н. А., Наумов А. В., Старцев В. В. Неохлаждаемые микроболометры инфракрасного диапазона-современное состояние и тенденции развития. Нано- и микросистемная техника. 2018;20(10):613–624.
Nikolaev S. N., Bagaev V. S., Krivobok V. S., Davletov E. T., Gulyashko A. S., Kopytov G. F., Vasil’chenko A. A. Multicomponent Structure of an Electron-Hole Liquid in Shallow SiGe/Si Quantum Wells. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018; 82:427–430. DOI:10.3103/S1062873818040135.
Glazov M. M., Suris R. A. Collective states of excitons in semiconductors. Phys. Usp. 2020; 63: 1051–1071. DOI:10.3367/UFNe.2019.10.038663.
Karimullin, K.R., Arzhanov A. I., Eremchev I. Y., Kulnitskiy B. A., Surovtsev N. V., Naumov A. V. Combined photon-echo, luminescence and Raman spectroscopies of layered ensembles of colloidal quantum dots. Laser Phys. 2019; 29: 124009. DOI:10.1088/1555-6611/ab4bdb.
Rozhentsov A. A., Baev A. A., Gromyko D. S. Resolving and Estimating Signal Parameters in Infrared, Raman, and Terahertz Spectrometers and Other Analytical Tools. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018; 82: 1518–1521. DOI: 10.3103/S1062873818120183.
Romanovskii O. A., Sadovnikov S. A., Kharchenko O. V., Yakovlev S. V. Broadband IR Lidar for Gas Analysis of the Atmosphere. J. Appl. Spectrosc. 2018; 85: 457–461. DOI: 10.1007/s10812-018-0672‑y.
Rocheva V. V., Khochenkov D. A., Generalova A. N., Nechaev A. V., Semchishen V. A., Stepanova E. V., Sokolov V. I., Khaydukov E. V., Panchenko V. Y. Upconversion nanoparticles for tumor imaging with near-infrared radiation. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2016; 80: 467–470. DOI: 10.3103/S1062873816040274.
ОБ АВТОРАХ
Кульчицкий Николай Александрович, д.т.н., e-mail: n.kulchitsky@gmail.com, профессор, Московский технологический университет (МИРЭА), главный специалист, ГНЦ РФ,
АО «Научно-производственное объединение «Орион», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4664-4891
Наумов Аркадий Валерьевич инженер-аналитик,
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-6081-8304
Старцев Вадим Валерьевич, к.т.н, главный конструктор,
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544
Отзывы читателей
