Фізичні властивості напівпровідників кадмій - ртуть - телур та фотодіодних структур на їх основі для багатоелементних фотоприймалних пристроїв ІЧ діапазону
Встановлення ролі механізмів поглинання ІЧ випромінювання у вузькощілинному кадмій–ртуть-телур та їх впливу на спектральні характеристики чутливості багатоелементних структур. Застосування методів нелінійної оптики для контролю складу зразків КРТ.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 28.08.2015 |
| Размер файла | 84,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико - математичних наук
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ КАДМІЙ - РТУТЬ - ТЕЛУР ТА ФОТОДІОДНИХ СТРУКТУР НА ЇХ ОСНОВІ ДЛЯ БАГАТОЕЛЕМЕНТНИХ ФОТОПРИЙМАЛНИХ ПРИСТРОЇВ ІЧ ДІАПАЗОНУ
Голенков Олександр Геннадійович
Київ - 2008
Анотація
Голенков О.Г. Фізичні властивості напівпровідників кадмій - ртуть - телур та фотодіодних структур на їх основі для багатоелементних фотоприймалних пристроїв ІЧ діапазону. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН Украіни, Київ, 2008.
Дослідження в дисертаційній роботі пов'язані з уточненням впливу товщини фоточутливого шару та механізмів поглинання ІЧ випромінювання напівпровідників кадмій-ртуть-телур (КРТ) на спектральні характеристики чутливості багатоелементних фотодіодних (ФД) структур ІЧ діапазону спектра, що є важливим для проектування багатоелементних фотоприймальних пристроїв (ФПП). Показано, що методи нелінійної оптики можуть бути застосовані для неруйнівного методу контролю часу життя нерівноважних носіїв заряду в монокристалічному КРТ.
Встановлені основні закономірності оптимальної реєстрації ІЧ випромінювання ФПП на основі багатоелементних лінійчатих КРТ ФД з пристроями зчитування у фокальній площині для подальшого їх використання у приладах тепловізійної техніки та визначено вплив неоднорідностей фотоелектричних параметрів ФД на характеристики лінійчатих ФПП для ІЧ діапазону спектра.
Визначено вплив операцій накопичення та перетворення інформації в схемах зчитування на електричні шуми та питому виявлювальну здатність ФПП, що має суттєве значення в прикладних задачах. Розроблені методики для такого аналізу та запропоновані способи врахування впливу неоднорідностей електричних та фотоелектричних характеристик фотодіодів, а також неоднорідностей параметрів транзисторів в схемі прямої інжекції.
Ключові слова: HgCdTe, багатоелементні ФПП ІЧ діапазону, нелінійне оптичне поглинання, I-V характеристики, спектральна характеристика чутливості, питома виявна здатність, неоднорідність параметрів, швидке перетворення Фур'є.
Аннотация
Голенков А.Г. Физические свойства полупроводников кадмий-ртуть-телур и фотодиодных структур на их основе для многоэлементных фотоприёмных устройств ИК диапазона. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2008.
Исследования в диссертационной работе связаны изучением влияния толщины фоточувствительного слоя и механизмов поглощения ИК излучения в полупроводниках кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и их влияния на спектральные характеристики чувствительности многоэлементных фотодиодных (ФД) структур ИК диапазона спектра, что является важным для учета потоков излучения, которые регистрируются фотоприемными устройствами (ФПУ). В результате математического моделирования и сопоставления с экспериментом получены эмпирические формулы: Smax = Smax (Eg, d), max = max (Eg, d), 0,5 = 0,5(Eg, d), 0,9 = 0,9(Eg, d), где Smax - ампер- ваттная чувствительность КРТ фотодиодов в максимуме, max, _ длина волны излучения в максимуме чувствительности, 0,9, 0,5 - длинноволновая граница чувствительности ФД по уровню 0,9 и 0,5 соответственно, Eg_ длина волны излучения, соответствующая ширине запрещенной зоны КРТ, d - толщина фоточувствительного слоя.
Методы нелинейной оптики могут быть использованы для неразрушающего контроля времени жизни неравновесных носителей заряда . Для этого используется формула: , где 2_ коэффициент двухфотонного поглощения, '_ коэффициент двухфотонного поглощения, определяемый из эксперимента, h_ энергия кванта излкучения, мз_ коэффициент межзонного поглощения, вн_ сечение поглощения свободными носителями заряда.
Установлены основные закономерности оптимальной регистрации ИК излучения ФПУ на основе многоэлементных линейчатых КРТ фотодиодов с устройствами считывания в фокальной плоскости для дальнейшего их использования в приборах тепловизионной техники и определено влияние неоднородностей фотоэлектрических параметров ФД на характеристики ФПУ ИК диапазона спектра.
Изучено влияние операций накопления и преобразования информации в схемах считывания на шумы и удельную обнаружительную способность многоэлементных ФПУ дальнего ИК диапазона.
Предложена формула для оценки величины шума Unoise выходного сигнала Uвых ФПУ: , где e_ заряд електрона, kQU_ коэффициент передачи заряд_ напряжение многоэлементного ФПУ, которая позволяет контролировать достоверность измерения шумов ФПУ.
Ключевые слова: HgCdTe, многоэлементные ФПУ ИК диапазона, нелинейное оптическое поглощение, I-V характеристики, спектральная характеристика чувствительности, удельная обнаружительная способность, неоднородность параметров, быстрое преобразование Фурье.
Abstract
Golenkov О.G. Physical properties of the semiconductors mercury-cadmium-telluride and photodiode structures on their base for IR mulielement arrays. - Manuscript.
The dissertation for the scientific degree of physicist and mathematician candidate in specialty 01.04.01 - physics of the devices, elements and systems. - V. Laskaryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.
Researches in dissertation are connected with more precise definition absorption mechanisms in narrow-gap mercury-cadmium-telluride (MCT) and their influence on spectral photo-response characteristics of multielement IR photodiode structures, which is important for accounting of real radiant fluxes registered by photodetector structures. It is shown that nonlinear optics methods can be used for nondestructive composition checking and non-uniformity of MCT samples, and also for determination of non-equilibrium carriers short lifetimes.
Basic regularities of optimal IR radiation detection by multielement linear photodiode arrays with readouts are specified for their use in the thermovision technique, and inhomogeneity influence of photoelectric parameters on IR linear arrays characteristics is defined.
The influence of accumulation procedure and information transformation in FPA readouts on the noise spectral density and detectivity is defined, which is important for their use in real applications. The methods for such analysis are developed and the means for accounting of influence of electrical and photoelectrical inhomogeneities, the readouts input parameters of input transistors and their influence on FPA functioning as a whole are proposed.
Key words: HgCdTe, LWIR multielement FPA, nonlinear optical absorption, I-V characteristics, photosensitivity spectra, detectivity, parameters non-uniformity, quick Fourier transformation.
1. Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Для отримання в пасивному режимі тепловізійних зображень об'єктів, температура яких близька до температури оточуючого середовища (~300 К), важливою є далека інфрачервона (ІЧ) ділянка спектру 8ч12 мкм. Використання цієї ділянки обумовлено як одним з вікон прозорості атмосфери, так і максимумом випромінювання тіл, нагрітих до температури 0Т 300 К.
Існує велика кількість матеріалів, які б могли бути використані в якості приймачів випромінювання (ПВ) фотоприймальних пристроїв (ФПП). Але найбільш чутливими в дальньому ІЧ спектральному діапазоні ПВ, які дозволяють наблизитись до гранично можливих величин температурного контрасту та малої інерційності, є ІЧ приймачі на основі фотодіодів (ФД), виготовлених на епітаксійних шарах Hg1_xCdxTe зі складом x~0.2. Однією з найважливіших рис ПВ на основі HgCdTe є їхня спроможність бути використаними в багатоелементних масивах разом з кремнієвими великими інтегральними схемами зчитування у великоформатних ФПП, що дозволяє не тільки сприймати випромінювання об'єктів спостереження, але й попередньо обробляти їх безпосередньо у фокальній площині ФПП.
Сучасні ФПП виготовляються за гібридною технологією: окремо створюються багатоелементні фотодіодні лінійки або матриці і окремо фокальні процесори (схеми зчитування) за традиційними ПЗЗ (прилади з зарядовим зв'язком) чи КМДН (комплементарний метал-діелектрик-напівпровідник) кремнієвими технологіями. З'єднання контактів (гібридизація) здійснюється за допомогою індієвих стовпчиків.
Не дивлячись на те, що властивості напівпровідників кадмій-ртуть-телур (КРТ) є одними з найбільш вивчених з точки зору їх застосування у якості приймачів випромінювання, вони продовжують інтенсивно досліджуватись, про що свідчить велика кількість публікацій і проведення окремих конференцій, які присвячено вивченню властивостей як власне цих матеріалів, так і приладів на їх основі. Це пов'язано з потенційними можливостями їх використання як ПВ з граничними характеристиками у широкому спектральному діапазоні чутливості від рентгенівського до субміліметрового і міліметрового. Тому вивчення їх характеристик з метою вдосконалення їх застосування до багатоелементних приймачів випромінювання залишається актуальним.
Наприклад, за станом на початок роботи недостатньо було висвітлено вплив крайового оптичного поглинання епітаксійного КРТ та товщини d (d = 5 ч 15 мкм) фоточутливих шарів на форму довгохвильової ділянки спектральної чутливості ФД та абсолютне значення максимуму спектральної чутливості ФД, недостатньо розроблені методики визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в КРТ безконтактним методом. Недостатньо було визначено вплив операцій накопичення та перетворення інформації в схемах зчитування на величину електричних шумів та питому виявну здатність ФПП ІЧ діапазону, що має суттєве значення для їх використання у прикладних задачах. Також були відсутні відомості про методики для аналізу вихідного сигналу ФПП, принципи оптимізації вибору робочої точки фотодіодів для зменшення впливу неоднорідності електричних характеристик КРТ фотодіодів та МОН транзисторів схем зчитування.
Важливість вирішення цих наукових та науково-прикладних задач і обумовила актуальність виконання цієї роботи в цілому.
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Більшість результатів дисертаційної роботи одержано при виконанні тематики та планів наукових досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України ім. В.Є. Лашкарьова, зокрема за держбюджетними темами:
“Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових систем інфрачервоної мікроелектроніки” (реєстраційний № 0103U000363),
“Розробка фізико-технічних основ створення фоточутливих наноструктур в системі напівпровідникових сполук А2В6, А3В5, А4В6” (реєстраційний № 2М/72-2000),
«Дослідження та розробка елементів та складових інфрачервоної мікрофотоелектроніки» (дог. № 54 від 16.03.2006 р., реєстраційний № 0105U000997, в рамках Програми згідно постанови Кабінету Міністрів України від 15.10.2004 р. № 1368 «Про затвердження Державної Науково-технічної програми розвитку мікро- та оптоелектронних технологій на 2005-2007р.), дог. № 32 від 01.06.2006 р. «Розробка фізичних принципів і технології створення ІЧ приймачів на основі гетероструктур кадмій-ртуть-телур та діагностичних систем нового покоління» (реєстраційний № 0106U006767), “Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових матеріалів та низьковимірних структур для ІЧ - мікрофотоелектроніки” (реєстраційний № 0106U002053), при виконанні науково-технічних контрактів № 96EMCR/471211K-402UK, 1996 р. (КНР) та № 97LUF/901004SK, 1997 р. (КНР).
Мета та задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи було встановлення ролі механізмів поглинання ІЧ випромінювання у вузькощілинному КРТ та їх впливу на спектральні характеристики чутливості багатоелементних ФД структур, дослідження можливостей застосування методів нелінійної оптики для безконтактного методу контролю складу та однорідності зразків КРТ, встановлення основних закономірностей оптимальної реєстрації ІЧ випромінювання охолоджувальних до температури рідкого азоту багатоелементних ФПП з КРТ фотодіодами та пристроями зчитування, визначення впливу неоднорідності фотоелектричних параметрів КРТ фотодіодів на характеристики багатоелементних ФПП ІЧ діапазону спектру.
Також завданням дисертаційної роботи було визначення впливу операцій накопичення та перетворення інформації у схемах зчитування ФПП на величину електричного шуму та питому виявну здатність ФПП, розробка методик для аналізу вихідного сигналу ФПП, оптимізація вибору робочої точки фотодіодів для зменшення впливу неоднорідності електричних характеристик КРТ фотодіодів та МОН транзисторів схем зчитування.
Досягнення поставлених цілей забезпечувалося вирішенням таких задач:
- аналізом сучасного стану розробки охолоджувальних багатоелементних ФПП дальнього ІЧ діапазону спектра;
- розробкою методики для дослідження нелінійного оптичного поглинання Hg1_xCdxTe, x ~0,2;
- розробкою математичної моделі і комп'ютерної програми для розрахунку спектральної характеристики ампер _ ватної чутливості КРТ фотодіодів та співставлення результатів розрахунку з експериментом. В моделі слід врахувати, що товщина епітаксійого шару КРТ фотодіодів може коливатися в межах 5ч15 мкм, площа фотодіодів 3030 мкм2 або 5050 мкм2, робоча температура ~80 К;
- встановленням залежностей впливу неоднорідних характеристик окремих ФД на інтегральні характеристики багатоелементних ФПП;
- встановленням залежностей порогових характеристик ФПП від параметрів КРТ ФД;
- розробкою методик та апаратно-програмного забезпечення методів контролю електричних параметрів КРТ ФД, схем зчитування та ФПП.
Об'єктом досліджень були найбільш важливі для прикладних застосувань систем бачення в діапазоні довжин хвиль 8ч12 мкм монокристали та епітаксійні шари Hg1-хCdхTe (х ~ 0.2), які було одержано методами рідинної та молекулярно-променевої епітаксій; схеми зчитування інформації багатоелементних ФПП; КРТ фотодіодні лінійки та ФПП форматів 264 та 4288.
Предметом досліджень були фізичні процеси в монокристалах, епітаксійних шарах та діодах на основі КРТ, передача та обробка інформації багатоелементними ФПП ІЧ діапазону спектра з врахуванням власних та апаратних шумів.
Для досягнення поставленої мети застосовувалися такі розроблені у процесі виконання роботи методики та методи досліджень: оптична мікроскопія, електрофізичні, оптичні та фотоелектричні вимірювання характеристик епітаксійних шарів, фотодіодних лінійок та ФПП, математичне моделювання спектральних залежностей фоточутливості КРТ ФД, швидке перетворення Фур'є для аналізу спектрального складу шуму багатоелементних ФПП, кількісний аналіз результатів експериментів за допомогою розробленого програмного забезпечення.
Наукова новизна одержаних результатів.
В результаті проведених досліджень в дисертації вперше були отримані такі результати:
1. Експериментально встановлено аномально високе значення константи двофотонного поглинання у монокристалічному Hg1-xCdxTe (x ~0,20) при температурах ~300 К, яке дорівнювало = 830 см/МВт на довжині хвилі 10.6 мкм. Показано, що основним механізмом нелінійного оптичного поглинання в таких зразках є двоступеневе поглинання: спочатку оптичні переходи здійснюються в області експоненційного (Урбахівського) краю, а потім відбувається поглинання нерівноважними носіями заряду в межах валентної зони та зони провідності.
2. Експериментально встановлено, що на довжині хвилі 10.6 мкм зміна температури монокристалічного Hg1-xCdxTe (x ~ 0.20) майже не впливає на лінійне оптичне пропускання T0, проте істотно впливає на величину нелінійного оптичного пропускання Тн. При зміні температури зразка від 293 К до 353 К значення T0 змінювалось від 4 % до 3.9 % відповідно, а значення Тн від 0.9 % до 3.7 % при інтенсивності випромінювання I0 = 300 кВт/см2.
3. За допомогою чисельних методів та проведених експериментів визначено, що максимум спектральної характеристики чутливості Smax КРТ фотодіодів зміщений у короткохвильову частину спектру відносно довжини хвилі Eg, яка відповідає енергії кванта випромінювання Eg, де Eg -ширина забороненої зони. Встановлено, що величина зсуву = Eg - max та абсолютне значення чутливості Smax в максимумі залежать не тільки від ширини забороненої зони Eg, але і від товщини фоточутливого шару d фотодіодів. За допомогою математичного моделювання спектрів S() отримані емпіричні залежності max та Smax від d та Eg: Smax = Smax (Eg, d) та max = max (Eg, d).
4. За допомогою чисельних методів та проведених експериментів показано, що швидкість спаду довгохвильової частини спектральної характеристики чутливості планарних КРТ фотодіодів для дальньої ІЧ ділянки спектру обумовлена робочою температурою фотодіодів, товщиною фоточутливого шару та експоненційною формою краю оптичного поглинання КРТ. За допомогою математичного моделювання спектрів S() отримані емпіричні залежності (для температури ФД ~ 80 К) довгохвильової границі фоточутливості 0,5 та 0,9 (по рівню 0,5 та 0,9 відповідно) від d та Eg: 0,5 = 0,5(Eg, d) та 0,9 = 0,9(Eg, d).
5. Показано, що неоднорідність ампер-ватних чутливостей та вольт-амперних характеристик КРТ фотодіодів в багатоелементних ФПП, розкид порогової напруги n-канальних МОН транзисторів у схемі прямої інжекції ФПП, призводить до зменшення динамічного діапазону ФПП та нелінійності вольт _ ватної передаточної характеристики окремих фоточутливих елементів.
6. Запропоновано формулу для розрахунку електричних шумів Unoise ФПП за середнім значенням вихідного сигналу U: , де e - заряд електрона, KQU _ коефіцієнт передачі заряд _ напруга ФПП, U0 - максимальна амплітуда вихідного сигналу ФПП, Q0 - зарядова ємність вхідних пристроїв ФПП.
Практичне значення отриманих результатів.
1. Використовуючи ефект двоступеневого оптичного поглинання при температурах ~300 К, запропоновано безконтактну методику визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду монокристалічного КРТ, що важливо при контролі однорідності зразків КРТ.
2. Знайдені залежності абсолютного значення чутливості Smax та короткохвильового зсуву ( = Eg - max) максимуму спектральної характеристики чутливості Smax КРТ фотодіодів від товщини ФД та ширини забороненої зони Eg можуть бути використані при проектуванні ФПП ІЧ діапазону спектра.
3. Запропонований метод побудови залежності спаду довгохвильової області спектральної чутливості КРТ фотодіодів від товщини фоточутливого шару та ширини забороненої зони може використовуватись при розробці ФПП ІЧ діапазону спектра.
4. Розроблено методику, за допомогою якої можна розрахувати величину шуму та динамічний діапазон вихідного сигналу багатоелементного ФПП за середнім значенням амплітуди того ж самого вихідного сигналу. Це дозволяє контролювати достовірність вимірювання шумів вихідного сигналу ФПП.
5. З використанням цифрових методів швидкого перетворення Фур'є розроблено методику досліджень шумів планарних КРТ фотодіодів у складі охолоджувальних багатоелементних лінійчатих ФПП для дальньої ІЧ ділянки спектру на фоні електромагнітних завад реєструючої системи. Розроблено автоматизований стенд та програмне забезпечення для вимірювання питомої виявної здатності D* та чутливості SV багатоелементних ФПП.
6. Розроблено автоматизований стенд та програмне забезпечення для вимірювання вольт _ амперних характеристик невеликих за розмірами (30х30 та 50х50 мкм2 ) КРТ фотодіодів зондовим методом при температурах рідкого азоту. Розроблено автоматизований стенд та програмне забезпечення для вимірювання спектрів оптичного пропускання епітаксійного та монокристалічного КРТ в спектральному діапазоні 2ч12 мкм. Розроблено автоматизований стенд та програмне забезпечення для вимірювання електричних характеристик схем зчитування для багатоелементних ФПП. Розроблено автоматизований стенд та програмне забезпечення для вимірювання вольт-ватної чутливості та питомої виявної здатності багатоелементних ФПП дальнього ІЧ діапазону спектру.
Особистий внесок здобувача. В роботі узагальнено результати досліджень за темою дисертації, які було почато у 1996 р. [1-30]. У дисертації використані результати робіт, виконаних у співавторстві. Разом зі співавторами здобувач приймав участь у постановці задач, обробці та інтерпретації експериментальних результатів. Автором, який приймав участь у виборі напрямку досліджень, систематизації та аналізу літературних даних і постановці задачі, розвинуто або розроблено методики досліджень нелінійних оптичних характеристик вузькощілинних напівпровідників та проведено їх дослідження і аналіз [15-17, 30]. Безпосередньо автором пояснено механізм нелінійного оптичного (двоступеневого) поглинання в монокристалічному КРТ при температурі ~300 К [16, 17], пояснено механізм впливу температури на нелінійне оптичне поглинання КРТ [15], запропоновано безконтактний метод визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду [19]. Розроблені математична модель та програмне забезпечення для розрахунку спектральної характеристики ампер - ватної чутливості КРТ фотодіодів, проведені вимірювання спектрів фоточутливості КРТ фотодіодів (для x = 0,225 та x = 0,235) та отримані емпіричні формули [1]: Smax = Smax (Eg, d), max = max (Eg, d), 0,5 = 0,5(Eg, d).
Пояснено роботу схеми прямої інжекції та вхідного пристрою схеми зчитування в режимах віднімання постійної складової та ділення заряду [2, 3, 4, 24, 25, 29], експериментально визначена залежність струму схеми прямої інжекції від напруги на затворі МОН - транзистору для КРТ фотодіоду при температурі T = 77 K [7, 8], виміряні вольт-амперні характеристики та визначено динамічний опір КРТ фотодіодів [9], експериментально визначені залежність амплітуди вихідного сигналу схем зчитування від вхідного струму та вхідного заряду при температурі T = 300 К та T = 77 К для різних режимів роботи вхідного пристрою [2, 5, 6, 10_14, 21-23]. Експериментально визначена залежність амплітуди вихідного сигналу ФПП від часу накопичення заряду для різних випадків роботи вхідного пристрою в діапазоні температур 280 ч 340 К зовнішнього фонового випромінювання [9], сформульовано принцип застосування швидкого перетворення Фур'є при аналізі питомої виявної здатності багатоелементних лінійчатих ФПП та метод оцінки шумів вихідних сигналів ФПП, отримано формулу для розрахунку електричних шумів ФПП за середнім значенням вихідного сигналу [8, 20].
Розроблені методики вимірювань та експериментально визначено вольт-ватну чутливість та питому виявну здатність окремих елементів багатоелементного ФПП [7, 10, 13, 28], зроблено аналіз однорідності цих параметрів. За допомогою одномірного оптичного сканування, розробленого програмного забезпечення та алгоритму корекції неоднорідності чутливості елементів ФПП ІЧ діапазону формату 2Ч64 отримано тепловізійне зображення [3, 7, 26, 27].
Результати роботи використані на етапі паспортизації та тестуванні окремих складових охолоджувального багатоелементного (2х64) ФПП для дальнього ІЧ діапазону [18].
Здобувач приймав активну участь у розробці методик досліджень та створенні автоматизованих вимірювальних комплексів та програмного забезпечення до них [20]. Наукові положення та висновки дисертації, що виносяться на захист, належать автору. Основна частина отриманих результатів доповідалась автором особисто на вітчизняних та міжнародних конференціях.
Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідались на ряді вітчизняних та міжнародних конференціях та семінарах:
- XX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения: Россия, Москва, НПО “Орион”, 27-30 мая 2008 г.: тезисы докл. - 2008. - С. 149.
- Нанофизика и Наноэлектроника: пятый международный российско-украинский семинар, Россия, Санкт _ Петербург, ФТИ им. Иоффе РАН, 17-19 июня 2004 г.
- Infrared Technology and Applications XXIX: int. conf. SPIE, Orlando, FL, USA, 21 April 2003.
- Нанофизика и Наноэлектроника: четвертый международный украинско-российский семинар, Киев, 15-18 сентября 2003 г.
- Фотоника_2003: совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники, Россия, Новосибирск, ИФП СО РАН, 28_31 августа 2003 г.
- Перша Українська наукова конференція з фізики напівпровідників: Одеса, 10 _ 14 вересня 2002 р.
- XVII Международная научно - техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения: Россия, Москва, НПО “Орион”, 27-31 мая 2002 г.
- XVI Международная научно - техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения: Россия, Москва, НПО “Орион”, 25-27 мая 2000 г.
- Material Science and material properties for infrared optoelectronics: int. conf. SPIE, Uzgorod, Ukraine, 30 September - 02 October 1996.
Публікації. Основні результати дисертації викладені у 30 друкованих роботах, опублікованих у вітчизняних та зарубіжних журналах та матеріалах конференцій, зокрема 10 - у наукових фахових журналах, 7 - матеріалах конференцій, 12 - у тезах і доповідях конференцій та семінарів. Результати роботи використані в 1 деклараційному патенті України на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів основного тексту, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Повний обсяг роботи - 136 сторінок, в тому числі, основний текст викладено на 124 сторінках, який супроводжується 61 ілюстраціями та 7 таблицями на 2 окремих аркушах. Список цитованої літератури має 114 найменувань на 12 сторінках.
2. Основний зміст
У вступі обгрунтовано актуальність та напрямок досліджень дисертаційної роботи, вибір об'єктів і методів досліджень, сформульовані мета і задачі роботи, вказані наукова новизна, практичне значення та апробація результатів досліджень, їх зв'язок з плановими завданнями Інституту, вказана кількість публікацій за матеріалами дисертації, структура, об'єм роботи, та інші формальні ознаки, що стосуються дисертаційної роботи.
Перший розділ. В останні 10-15 років технології бачення у недоступних для ока людини діапазонах спектру розвиваються з великою швидкістю, що обумовлено як вдосконаленням засобів отримання високоякісних фоточутливих матеріалів, так і збільшенням можливостей технології великих інтегральних схем, які дозволяють обробляти інформацію масивів ПВ у реальному масштабі часу. Перший розділ дисертаційної роботи містить огляд літературних джерел з найбільш актуальних для принципів побудови та типів багатоелементних, охолоджувальних лінійчатих ФПП для далекої ІЧ-ділянки спектру на основі сполук КРТ, питань фізичних основ оптичних та нелінійних оптичних властивостей (в області фундаментального та крайового поглинання) монокристалів та епітаксійних шарів КРТ. Розглянуто питання, які пов'язані з важливістю урахування однорідності параметрів епітаксійних шарів КРТ (вміст кадмію та телуру, час життя нерівноважних носіїв заряду при кріогенних температурах), КРТ ФД (вольт-амперних характеристик, ампер-ватної чутливості) та вхідних пристроїв зчитування ФПП при виготовленні багатоелементних ФПП. Наведено дані залежності ширини забороненої зони КРТ від температури та вмісту кадмію та ртуті, неруйнівних методів визначення складу епітаксійних шарів КРТ, методів вимірювання фотоелектричних та порогових характеристик одноелементних та багатоелементних лінійчатих ФПП.
Другий розділ присвячено розгляду наступних методик фізичних досліджень, вимірів, визначення характеристик та засобів математичного моделювання параметрів фізичних властивостей зразків КРТ та ФД на їх основі:
- визначення спектральної залежності коефіцієнта оптичного поглинання та пропускання вузькощілинних напівпровідників;
- визначення спектральної характеристики чутливості фотоприймачів;
- дослідження нелінійного оптичного поглинання вузькощілинного КРТ;
- вимірювання I-V характеристик ФД лінійок при температурах рідкого азоту;
- вимірювання електричних параметрів інтегральних схем зчитування багатоелементних ФПП при кімнатних температурах та кріогенних температурах;
- визначення інтегральної вольт-ватної чутливості SV500 К від випромінювання абсолютно чорного тіла (АЧТ) з температурою випромінювання TАЧТ = 500 К та визначення SVmax в максимумі фоточутливості багатоелементних ФПП;
- визначення інтегральної питомої виявної здатності D*500 К від випромінювання АЧТ та визначення питомої виявної здатності D*max багатоелементних ФПП;
- вимірювання спектральної характеристики чутливості фотоприймачів;
- вимірювання електричних шумів та їх спектральних складових в багатоелементних ФПП;
- оригінальне програмне забезпечення під операційні системи Windows 98 та XP для розрахунку фундаментальних та оптичних параметрів Hg1-xCdxTe: ширини забороненої зони Eg =Eg (x,0T) (0T _ температура), положення рівня Фермі EF =EF (Eg,ND, 0T) та EF = EF(Eg,NA, 0T) (ND,NA - концентрація донорів та акцепторів відповідно), спектральної залежності показника поглинання =(,Eg,EF,0T) ( _ довжина хвилі), спектральної залежності оптичного пропускання Т=T(,d,R1,R2) (d - товщина зразка, R1,R2 - коефіцієнти відбивання від передньої та задньої поверхні зразка відповідно), спектральної залежності ампер-ватної фоточутливості фотодіодів SA=SA(,d,R1,R2).
В третьому розділі розглядається вплив експоненційного краю поглинання на нелінійне оптичне поглинання зразків КРТ та спектри ампер-ватної чутливості планарних КРТ фотодіодів.
Коефіцієнт двофотонного оптичного поглинання 2 вузькощілинного КРТ (0,19 ? x ? 0,23), розрахований за звичайно вживаною формулою:
, (1)
значно відрізняється від експериментально отриманого значення в'. В (1) e_ заряд електрону, P_ матричний елемент, h_ стала Планка, c_ швидкість світла, n_ показник заломлення, Eg_ ширина забороненої зони, f_ функція, яка враховує зонну структуру КРТ.
З'ясувалося, що поблизу фундаментального краю оптичного поглинання коефіцієнт в' в загальному випадку має запропонований в дисертаційній роботі вигляд [15]:
, (2)
де бмз - коефіцієнт міжзонного оптичного поглинання в області експоненційного (Урбахівського) краю, вн - переріз поглинання вільними носіями заряду, (I) = a·(I), a - час життя нерівноважних носіїв заряду при оже_рекомбінації, як основного механізму в КРТ зі складом x~0,2 при температурі ~300 К. Коефіцієнт (I) враховує зменшення часу життя , коли при інтенсивності випромінювання I концентрація нерівноважних носіїв заряду стає великою порівняно з власною концентрацією.
З ростом температури ширина забороненої зони КРТ збільшується, внаслідок чого зменшується коефіцієнти бмз та в'.
За допомогою формули (2) можна визначити час життя [19]:
(3)
В формулу (3) підставляємо енергію кванту h, експериментально отримані коефіцієнти в' та бмз. Переріз поглинання вн зразків КРТ з власним типом провідності і складом x~0,2 залежіть від енергії кванту h та температури. При температурі 295 K та енергії кванту випромінювання CO2_ лазеру h=0,117 еВ переріз вн дорівнює вн=4,5·10_16 см2.
З залежності оптичного пропускання T зразка КРТ (x~0,20) від інтенсивності випромінювання І0 [16,17] визначаємо: в'=830 см/МВт. Спектр оптичного поглинання в області фундаментального краю дозволяє визначити як загальний коефіцієнт поглинання б, так і його складові: б = бмз + бвн (бвн_ коефіцієнт поглинання вільними носіями заряду). Для зразка б=30,5 см-1, бмз=9 см-1, бвн=21,5 см-1. Використовуючи (3) отримуємо час життя =4 нс, що є близьким до теоретичного значення.
Однією з важливих характеристик фотодіодів є спектральна характеристика ампер_ватної чутливості S:
,(4)
де квантова ефективність дорівнює: = 0·opt. 0,opt _ внутрішня та оптична квантова ефективність відповідно.
Конструктивно фотодіоди, що досліджувались, складаються з GaAs підкладки (товщина ~500 мкм) та розташованого на ній фоточутливого шару КРТ, товщина якого d (d =5 ч 15 мкм) контролюється під час епітаксійного росту. Площа фотодіодів 30х30 або 50х50 мкм2, робоча температура <100 К, дифузійна довжина електронів Ldif>>20 мкм. Випромінювання проходить крізь широкозонну GaAs підкладку і поглинається КРТ шаром. Технологія молекулярно-променевої епітаксії дозволяє зробити плавним перехід від GaAs до КРТ (товщина переходу ~0,5 мкм), з мінімальною кількістю центрів поверхневої рекомбінації. З огляду на величину довжини Ldif та відсутність центрів поверхневої рекомбінації можна вважати, що 0=1.
Оптична квантова ефективність opt залежіть від коефіцієнта відбиття GaAs R1, товщини d та коефіцієнту міжзонного поглинання мз=мз() [1]: opt =opt(R1, d,мз()). Коефіцієнт поглинання мз:
,(5)
де параметри 0, Е1, 0 (0~5 меВ для температур ~80 К) характеризують експоненційний край поглинання, hh та lh коефіцієнти поглинання при переходах з зони важких та легких дірок відповідно в зону провідності, fhh, flh - розподіли Фермі.
...Подобные документы
Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку. Області існування структур сфалериту і в’юрциту. Радіуси тетраедричних і октаедричних порожнин для сфалериту і в’юрциту. Кристалічна структура і антиструктура в телуриді кадмію. Кристалоквазіхімічний аналіз.
дипломная работа [281,1 K], добавлен 09.06.2008Метод математичного моделювання фізичних властивостей діелектричних періодичних структур та їх електродинамічні характеристики за наявності електромагнітної хвилі великої амплітуди. Фізичні обмеження на управління електромагнітним випромінюванням.
автореферат [797,6 K], добавлен 11.04.2009Розповсюдження молібдену в природі. Фізичні властивості, отримання та застосування. Структурні методи дослідження речовини. Особливості розсіювання рентгенівського випромінювання електронів і нейтронів. Монохроматизація рентгенівського випромінювання.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.01.2010Загальна характеристика електричного струму і основної мішені його впливу - м'язів. Застосування в медицині теплового ефекту для прогрівання тканин. Розгляд дії інфрачервоного і найбільш значимих типів іонізуючого випромінювання на організм людини.
реферат [356,4 K], добавлен 27.01.2012Природа та одержання рентгенівського випромінювання. Гальмівне та характеристичне рентгенівське випромінювання, його спектри. Рентгенівські спектри атомів. Поглинання та розсіяння рентгенівського випромінювання, застосування в медицині, хімії, біології.
реферат [623,6 K], добавлен 15.11.2010Поняття теплового випромінювання, його сутність і особливості, основні характеристики та спеціальні властивості. Різновиди випромінювання, їх відмінні риси, джерела виникнення. Абсолютно чорне тіло, його поглинаючі властивості, місце в квантовій теорії.
реферат [678,2 K], добавлен 06.04.2009Характеристики та класифікація напівпровідників. Технологія отримання напівпровідників. Приготування полікристалічних матеріалів. Вплив ізохорного відпалу у вакуумі на термоелектриці властивості і плівок. Термоелектричні властивості плюмбум телуриду.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 09.06.2008Навчальна програма для загальноосвітніх шкільних закладів для 7-12 класів по вивченню теми "Напівпровідники". Структура теми: електропровідність напівпровідників; власна і домішкова провідності; властивості р-п-переходу. Складання плану-конспекту уроку.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 29.04.2014Теорія поглинання світла молекулами. Апаратура для вимірювання поглинання у видимому та ультрафіолетовому світлі. Методика спектрофотометричних вимірювань. Фактори, що впливають на абсорбціонні властивості хромофора. Поглинання поляризованого світла.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 31.10.2014Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Природа електронних процесів, що відбуваються при високоенергетичному збудженні і активації шаруватих кристалів CdI2. Дослідження спектрів збудження люмінесценції і світіння номінально чистих і легованих атомами металів свинцю кристалів йодистого кадмію.
курсовая работа [666,8 K], добавлен 16.05.2012Природні джерела випромінювання, теплове випромінювання нагрітих тіл. Газорозрядні лампи високого тиску. Переваги і недоліки різних джерел випромінювання. Стандартні джерела випромінювання та контролю кольору. Джерела для калібрування та спектроскопії.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 13.12.2010Отримання спектрів поглинання речовин та визначення домішок у речовині. Визначення компонент речовини після впливу плазми на досліджувану рідину за допомогою даних, отриманих одразу після експерименту, та через 10 годин після впливу плазми на речовину.
лабораторная работа [1018,3 K], добавлен 02.04.2012Аналіз програми в випускному класі при вивченні ядерної фізики. Основні поняття дозиметрії. Доза випромінювання, види поглинутої дози випромінювання. Біологічна дія іонізуючого випромінювання. Методика вивчення біологічної дії іонізуючого випромінювання.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 24.06.2008Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів. Спектральні характеристики кремнієвих ФЕП. Відображення в інфрачервоній області спектру ФЕП на основі кремнію. Вимір коефіцієнта відбиття абсолютним методом. Характеристика фотометра відбиття ФО-1.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 17.11.2015Характеристика електромагнітного випромінювання. Огляд фотометрів на світлодіодах для оцінки рівня падаючого світла. Використання фотодіодів на основі бар'єрів Шотткі і гетеропереходів. Призначення контактів використовуваних в пристрої мікросхем.
курсовая работа [1010,0 K], добавлен 27.11.2014Випромінювання Вавілова-Черенкова. Ефект Доплера, фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова. Тиск світла. Досліди Лебедєва. Ефект Комптока. Вивчення фундаментальних дослідів з квантової оптики в профільних класах.
дипломная работа [661,8 K], добавлен 12.11.2010Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною. Особливості поширення електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону в живих тканинах. Характеристики полів, що створюються тілом людини. Електронні переходи в збудженій молекулі. Фоторецепторні клітини.
реферат [238,5 K], добавлен 12.02.2011Поняття і класифікація діелектриків, оцінка впливу на них випромінювання високої енергії. Ознайомлення із властивостями діелектриків - вологопроникністю, крихкістю, механічною міцністю, в'язкістю, теплопровідністю, стійкістю до нагрівання та охолодження.
реферат [124,3 K], добавлен 23.11.2010Теплове випромінювання як одна з форм енергії. Теплові і газоразрядні джерела випромінювання. Принцип дії та призначення світлодіодів. Обґрунтування та параметри дії лазерів. Характеристика та головні властивості лазерів і можливість їх використання.
контрольная работа [51,0 K], добавлен 07.12.2010
