CC BY
86
А.В. Войцеховский, А.П. Коханенко
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В Сибирском физико-техническом институте в отделе радиоэлектроники (зав. отделом В.Н. Детинко) уже с 1970-х гг. по инициативе В.Н. Детинко и А.С. Петрова начинаются работы по разработке приборов для приема оптического излучения, а с созданием лаборатории квантовой электроники в 1970 г. (зав. лабораторией А.С. Петров) эти работы получают дополнительный импульс.
А.С. Петров, зав. лабораторией квантовой электроники, 1973 г.
В первые годы основное внимание уделялось вопросам практического создания высокочувствительных полупроводниковых детекторов на основе фотоприемников со сверхвысокочастотным смещением. Обобщение результатов исследований фотоприемников со сверхвысокочастотным смещением проведено в докторской диссертации А.С. Петрова (1984) . В ней рассмотрены вопросы теоретического изучения работы таких приемников: фотоэлектрические и флуктуацион-ные свойства, оптимизация свойств материалов для достижения максимальной обнаружительной способности. Спектральный состав принимаемого излучения находился в диапазоне длин волн 0,4 - 12 мкм и требовал применения различных полупроводниковых материалов: собственных - германия и кремния; бинарных полупроводниковых соединений 1пБЪ, 1пА$; полупроводников, легированных глубокими примесями Ge:Au(Sb), БЫп, Ge-Si:Zn(Sb), GaAs:Cu, GaAs:Mn, а также твердых растворов Н§СёТе, PbSnTe(Se) с узкой шириной запрещенной зоны.
Исторически первыми в лаборатории электроники СФТИ были начаты разработки фоторезисторных приемников с СВЧ-смещением, что определялось большим опытом сотрудников этой лаборатории в СВЧ-технике, а также началом разработок такого типа фотоприемников для систем космического базиро-
* В скобках дан год защиты кандидатской или докторской диссертации.
вания в США в начале 70-х гг. [1 - 11]. Вначале был создан фотоприемник с СВЧ-смещением на основе монокристаллического кремния. Его первыми разработчиками можно считать Г.И. Тюлькова (1974) и Ю.В. Медведева (1972). Следует отметить, что фото-чувствительные образцы изготавливались А.Н. Горди-енко из отдела физики полупроводников СФТИ. Такие приемники характеризуются максимально высоким коэффициентом внутреннего (фотоэлектрического) усиления, равного О = т/Т = т • f (где т - время жизни фотоносителей, Т - период СВЧ-колебаний, f -частота СВЧ-колебаний), который достигал 104 - 105 значений в сантиметровых и миллиметровых диапазонах длин волн. Это позволяло значительно повысить фоточувствительность приемников, а также достичь ограничения их чувствительности собственными шумами фоторезистора (в частности, генерационнорекомбинационными). К тому же применяемый способ включения фоторезисторов являлся бесконтактным и позволял изготавливать фоточувствительные образцы минимальной толщины, что способствовало повышению предельных характеристик фотоприемников.
Разработку вопросов теории, расчета и применения резонаторов на запредельных волноводах для фо-торезисторных приемников осуществляла Т.Л. Лев-дикова (1972), впоследствии возглавлявшая лабораторию электроники СФТИ.
Отметим, что одновременно проводилась разработка фотодиодных приемников с СВЧ-смещением с использованием принципов параметрического усиления (Н.П. Солдаткин, 1971). Параллельно в отделе физики полупроводников В.П. Воронков проводил разработку и исследование приемников ИК-излучения на полупроводниковых гомо- и гетеропереходах германия, кремния, арсенида галлия.
Продолжение работ по разработке фоторезистор-ных приемников проводилось сотрудниками лаборатории квантовой электроники СФТИ А.А. Ушеренко (1975), который уделил большое внимание в своей работе учету влияния поверхности (и ее обработки) на характеристики фотоприемников, и Л.Г. Лопатиным (1979), который провел исследования высокочувствительного фоторезистора из чистого германия с поверхностным изгибом зон. Работы по распространению принципов бесконтактного включения фоторезисторов в резонаторах открытого типа проводились Г.Е. Дунаевским (1974) и Э.С. Воробейчи-ковым.
Фоторезисторные приемники с СВЧ-смещением на основе полупроводников, легированных глубокими примесями, разрабатывались в группе А.В. Войцехов-ского (1975) [12 - 16]. Созданный ИК-фотоприемник на основе Ge:Au(Sb) обладал повышенной фоточувствительностью по сравнению с аналогичными разработками благодаря высокой степени легирования (концентрация примеси золота составляла выше 1016 см-3), причем изготовлением фоточувствитель-ных кристаллов занимался В.Г. Воеводин. Наиболее
оптимальным материалом для регистрации излучения СО2-лазера оказался арсенид галлия, легированный Мп или Си, за разработку которого отвечала Е.В. Ма-лисова. Необходимо отметить, что фотоприемники на основе легированного арсенида галлия были созданы впервые в Сибирском физико-техническом институте. В дальнейшем была осуществлена попытка включения в СВЧ-резонатор низкоомных фоторезисторов на основе узкозонного соединения И§СёТе. Удалось зарегистрировать собственные шумы фоторезисторов и создать фоточувствительный приемник с СВЧ-смеще-нием.
Измерение потерь, вносимых полупроводниковым образцом в локальное поле СВЧ-резонатора квазиста-тического типа, позволяет определять основные электрофизические параметры (удельное сопротивление, подвижность и время жизни носителей тока) с высоким пространственным разрешением в образцах произвольной формы (пластины, слитки, стержни, двухслойные структуры). В отличие от традиционных зондовых методов измерения параметров полупроводников на постоянном токе, разработанные СВЧ-датчики обеспечивают измерения параметров сверхчистых полупроводниковых материалов, имеющих высокое удельное сопротивление, и узкозонных полупроводников с низким удельным сопротивлением. Они не требуют изготовления контактов, обладают хорошей воспроизводимостью, а также дают возможность определять параметры с высоким пространственным разрешением. Последнее свойство позволяет использовать разработанный метод не только для отбора нужного материала, но, контролируя его на стадии выращивания монокристаллов, технологически обеспечивать высокую однородность.
Поэтому в дальнейшем разработка схем регистрации фотоприемников с использованием переменного, включая СВЧ-смещение, в большей мере использовалась для создания систем контроля электрофизических, рекомбинационных и фотоэлектрических свойств полупроводников [17 - 26]. Эти работы возглавил Ю.В. Медведев (1986), впоследствии заве-
Разработка схем регистрации для фоторезистор-ных и фотодиодных приемников проводилась научными сотрудниками под руководством Ю.С. Михеева. За цикл работ по описанному выше направлению группе сотрудников в составе А.С. Петрова, Н.П. Солдат-кина, Ю.С. Михеева, Г.И. Тюлькова, В.П. Воронкова, Б.А. Наливайко была присуждена премия Ленинского комсомола (1972). Работы по фотоприемному направлению были обобщены в двух главах коллективной монографии «Элементная база оптико-электронных приборов», авторы А.В. Войцеховский, В.П. Воронков,
А.П. Вяткин, А.С. Петров, Н.П. Солдаткин.
дующий лабораторией радиофизических методов контроля СФТИ. На основе исследований явлений взаимодействия СВЧ-полей с полупроводниковыми средами проводится теоретическое обоснование принципов бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводников на СВЧ. Разрабатывается методика определения параметров полупроводниковых слоев на основе резонатора с кольцевым измерительным отверстием, заполненного многослойной полупроводниковой структурой (М.В. Детинко, 1983). Проводятся работы по разработке СВЧ резо-наторных устройств для контроля полупроводниковых материалов (В.Б. Ахманаев, 1984), разрабатываются методики ВЧ- и СВЧ-бесконтактного контроля электрофизических параметров полупроводников (Ю.В. Лисюк, 1987), особое внимание уделяется исследованиям неразрушающего метода локальных измерений удельного сопротивления сложных полупроводниковых соединений (А.Г. Левашкин, 1987).
Другим направлением работы, возглавляемым в дальнейшем зав. лабораторией фотоэлектроники СФТИ А.В. Войцеховским (1985), было создание и исследование МДП-структур на основе различных полупроводниковых материалов [27 - 32]. МДП-структуры были разработаны на бинарных соединениях 1^^ InAs, а также на InSbAs и вошли в состав фотоприемных устройств для различных применений, включая оптические системы астрофизических обсерваторий. Большой вклад в разработку и исследование МДП-
Лауреаты премии Ленинского комсомола, 1972 г.:
А.С. Петров, Н.П. Солдаткин, Ю.С. Михеев, Г.И. Тюльков, Ю.В. Медведев, В.П. Воронков, Б.А. Наливайко
структур на соединениях А В внесли А.А. Ушеренко,
В.Н. Давыдов (1984), Е.А. Лоскутова (1986), А.В. Кри-улин (1988), С.Н. Несмелов (1998).
А.В. Войцеховский, зав. лабораторией фотоэлектроники, 1983 г.
В 1977 г. в лаборатории квантовой электроники образовывается химико-технологическая группа под руководством Т.Д. Лезиной (Малиновской). Основной задачей группы на первом этапе было технологическое обеспечение работ по созданию фоточувствительных элементов: подготовка и обработка поверхности полупроводниковых пластин, нанесение диэлектрических покрытий при создании фотоприемных
элементов на основе германия, кремния и ряда узкозонных полупроводников. В дальнейшем эта группа активно участвует в физико-химических исследованиях поверхностных свойств полупроводников и границ раздела полупроводник - анодный оксид на широком классе полупроводниковых материалов. По результатами этой работы созданы элементы технологии получения МДП-структур на основе ІпБЬ, іпАб (Т.Д. Лезина, 1984; И.И. Фефелова, 1989), а также на основе Н§СёТе (Е.П. Лиленко, 1992).
Одними из первых в мире в СФТИ были технологически реализованы МДП-структуры на основе узкозонных полупроводников Н§СёТе, Н^пТе, Н§МпТе и проведены их всесторонние исследования (В.В. Антонов, 1985; О.Г. Ланская, 1991). Результаты этих исследований позволили разработать ряд методик измерения параметров, характеризующих поверхностные свойства и свойства границ раздела диэлектрик - узкозонный полупроводник. Обобщение данных по этому направлению представлено в монографии А.В. Войцеховского, В.Н. Давыдова (1995) «Фотоэлектрические МДП-структуры на узкозонных полупроводниках» (Томск: Радио и связь, 1990. С. 322).
Фотоприемное направление продолжало развиваться в области разработки матричных вариантов фотоприемных устройств в кооперации с ИФП СО РАН, Новосибирск (фоторезисторы, фотодиоды, МДП-структуры на Н§СёТе) и НПП «Матричные технологии», Москва (матрицы фотоприемников на структурах с внутренней фотоэмиссией на основе РіБі/Бі, GeSi/Si). Технология фотодиодных приемников на узкозонных полупроводниках включает проведение ионной имплантации. Большой вклад в исследование
Лаборатория квантовой электроники, 1980 г. Первый ряд слева направо: М.В. Детинко, Н.Г. Борзунов, Г.Н. Данилов, Б.Г. Пломипу, Ю.П. Егоров, А.С. Петров, Л.Н. Пивоварова, А.В. Войцеховский, Н.М. Гурова, Л. Ракова, О.Г. Ланская; второй ряд: Н.Н. Каблов, В.В. Антонов, Г.А. Некрылов, Л.Г. Лапатин, Ю.В. Медведев, В.Б. Ахманаев, Г.И. Тюльков, Е.А. По-тылицын, Е.А. Лоскутова, Е.П. Казак (Лиленко), А.И. Сафронов, А.Г. Левашкин; третий ряд: А.А. Скрыльников, В.Н. Давыдов, Ю.В. Лиленко, В.В. Бутков, С.А. Перелыгин, Л.А. Бузанова, В.К. Катанухин, Б.Л. Пивоваров, В.В. Старовойтова, Ю.Л. Соловьев, Т.Д. Лезина (Малиновская)
процессов радиационного дефектообразования при зультатов работ в этом направлении было осуществ-
имплантации высокоэнергетических ионов в сложные лено в монографии A3. Войцеховского, A.H ^ха-
полупроводниковые соединения были внесены науч- ненко (2000) и др. «Радиационная физика узкозонных
ной группой под руководством A3. Войцеховского полупроводников» (г. Aлматы, 1998. С. 1б5).
[33 - 54]. На первой стадии электрофизические иссле- Таким образом, в отделе радиоэлектроники СФТИ дования проводились совместно с В.Н. Брудным. Бы- в течение последних сорока лет проводились научно-
ли проведены исследования по радиационным воз- исследовательские и опытно-конструкторские работы
действиям на электрофизические и фотоэлектриче- по созданию и исследованию фотоприемников на ос-
ские параметры узкозонных полупроводников нове широкого класса полупроводниковых материа-
^.П. ^ханенко, 1987), подробно рассмотрены во- лов для ИK-диапазона длин волн. При этом особенно-
просы радиационно-стимулированной диффузии стью проводимых работ была их практическая на-
примесей и дефектов в HgCdTe (Е.М. ^рюшкин, правленность, связанная с непосредственным исполь-
1988), особенности ионной имплантации в HgCdTe зованием созданных фотоприемников в конкретных
(ВЖ. Шастов, 1988), проведено физическое обоснова- оптических системах различного назначения, а также
ние применения ядерно-физических методов для ис- с разработкой аппаратуры и методов измерения параследования радиационных дефектов в узкозонных по- метров широкого спектра полупроводниковых мате-
лупроводниках (A.r. ^ротаев, 1991). Обобщение ре- риалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробейников Э.С., Дунаевский Г.Е. // Изв. вузов. Физика. 1970. М 2. С. 1З5.
2. Дунаевский Г.Е. // Дефектоскопия. 1976. М 1. С. З5.
3. Раксина Ф.П., Медведев Ю.В., Петров А.С. // Электронная техника. Сер.1. 197З. М 5. С. 1З4.
4. Медведев Ю.В., Петров А.С., Тюльков Г.И. // Изв. вузов. Физика. 1970. М 10. С. 7.
5. Лапатин Л.Г., Петров А.С. // Электронная техника. Сер. 1. 1972. М 12. С. З6.
6. Петров А.С. // Электронная техника. Сер. 1. 1972. М 12. С. 66.
7. Медведев Ю.В., Петров А.С. // Изв. вузов. Физика. 197З. М 7. С. 92.
S. МедведевЮ.В., ПетровА.С., Ушеренко А.А. // Изв. вузов. Физика. 1974. М 5. С. 106.
9. Петров А.С., Петров М.А., Рамазанов П.Е., Ушеренко А.А. // Изв. вузов. Физика. 1975. М 5. С. 1ЗЗ.
10. Петров А.С., Тюльков Г.И. // Труды 1-й Всес. конф. «Проблемы передачи информации лазерным излучением». Киев, 1969.
11. Тюльков Г.И., Петров А.С., Соловьев Ю.Л., Бутков В.В. // Изв. вузов. Физика. 1974. М 10. С. S0.
12. Антонов В.В., Войцеховский А.В., Лиленко Ю.В. и др. // Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24. М 5. С. 1024.
13. Антонов В.В., Войцеховский А.В., Дунаевский Г.Е., Петров А.С. // Радиотехника и электроника. 197S. Т. 2З. М 10. С. 21S9.
14. Войцеховский А.В., Захарова Г.А., Kивов М.А. и др. // ФТП. 1970. М 9. С. 40.
15. Войцеховский А.В., Захарова Г.А., ивов М.А., Малисова Е.В. // ФТП. 1979. Т. 1З. М 4. С. 640.
16. Антонов В.В., Войцеховский А.В., Лиленко Ю.В., Петров А.С. // Изв. вузов. Физика. 1977. М 7. С. 125.
17. Борзунов Н.Г., Медведев Ю.В., Петров А.С. // ФТП. 1976. Т. 10. М 7. С. 129S.
1S. Борзунов Н.Г., Строкан Н.Б. // ФТП. 197S. Т. 12. М 4. С. 762.
19. ДавыдовВ.Н., Лезина Т.Д. // Микроэлектроника. 1983. Т. 12. М 2. С. 117.
20. Борзунов Н.Г., Лисюк Ю.В. // Изв. вузов. Физика. 19S1. М 1. С. 11.
21. Ахманаев В.Б., Лисюк Ю.В., Медведев Ю.В., Петров А.С. // Изв. вузов. Физика. ^З. М 6. С. 79.
22. Ахманаев В.Б., Медведев Ю.В., Данилов Г.Н., Лисюк Ю.В. // Изв. вузов. Физика. 1976. М 6. С. 11.
23. Ахманаев В.Б., Лисюк Ю.В Медведев Ю.В., Петров А.С. // Изв. вузов. Физика. ^З. М 6. С. 79.
24. Нечаев А.И., Детинко М.В., Левашкин А.Г. // Изв. вузов. Радиофизика. 19S7. М 1. С. 124.
25. Петров А.С. Основы приема оптических сигналов. Томск: Изд-во Том. ун-та, 19S7. 144 с.
26. Лапатин Л.Г., Петров А.С. // Изв. вузов. Физика. 19S1. М S. С. 127.
27. Давыдов В.Н., Лоскутова Е.А., Лезина Т.Д. // Микроэлектроника. 19S5. Т. 1. М 2. С. 455.
2S. ^иулин А.В., Петров А.С., Ушеренко А.А. // Микроэлектроника. 19S6. Т. 15. М 1. С. S2.
29. Давыдов В.Н. // Поверхность, Физика, Химия. Механика. 19S6. М 2. С. 72.
30. Войцеховский А.В., Лиленко Ю.В. // Изв. вузов. Физика. 19S1. М 9. С. 125.
31. Антонов В.В., Войцеховский А.В., ^иулин А.В. и др. // Микроэлектроника. 19S2. Т. 11. М 1. С. 70.
32. Антонов В.В., Войцеховский А.В. // Письма в ЖТФ. 19S4. М 12. С. 742.
33. Антонов В.В., Войцеховский А.В., Kханенко А.П. и др. // ФТП. 19S4. Т. 1S. М 11. С. 20S2.
34. Петров А.С., Kуликаускас В.С., Лиленко Ю.В. и др. // Изв. вузов. Физика. 19SS. М 12. С. 83.
35. Войцеховский А.В., ротаев А.Г., Kханенко А.П. // Изв. вузов. Физика. 1995. М 10. С. З.
36. Войцеховский А.В., Ke_ротаев А.Г., Kханенко А.П. // ФТП. 1996. Т. З0. М 9. С. 1565.
37. Voitsekhovskii A. V., Kokhanenko A.P., Denisov Yu.A., et al. // Proc. SPIE. 1997. V. З^2. P. З75.
38. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П. // Изв. вузов. Физика. 199S. М 1. С. 101.
39. Voitsekhovskii A. V., Kokhanenko A.P., Korotaev A.G. // Proc. SPIE. 1999. V. 3881. P. 274.
40. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П. // Изв. ТПУ. 2000. Т. З0З. М 2. С. 104.
41. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П., Шульга С.А. // Изв. вузов. Физика. 2002. М 6. С. S2.
42. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П., Несмелов С.Н., Соколов В.Н. // Изв. вузов. Физика. 2002. М 5. С. 7З.
43. Войцеховский А.В., Несмелов С.Н., ^ханенко А.П. и др. // Прикладная физика. 2002. М 6. С. 67.
44. Voitsekhovskii A.V., Kokhanenko A.P., Nesmelov S.N. // Proc. SPIE. 200З. V. 51З6. P. З64.
45. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2000. М 1. С. 65.
46. Войцеховский А.В., Волошин В.О., Гольман М.Б., ^ханенко А.П. Радиационная физика узкозонных полупроводников. Алматы: Изд-во «Гылым» (Наука), 199S. 165 с.
47. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П., Шульга С.А. // Изв. вузов. Физика. 2000. М 9. С. 19.
4S. Войцеховский А.В., ^ротаев А.Г., Kханенко А.П. // Прикладная физика. 2000. М 6. С. 38.
49. Войцеховский А.В., ^ротаев А.Г., Kханенко А.П. // Прикладная физика. 2000. М 6. С. 55.
50. Voitsekhovskii A.V., Kokhanenko A.P., Korotaev A.G. // Proc. SPIE. 2001. V. 4З55. P. 17З.
51. VoitsekhovskiiA.V., KokhanenkoA.P., KoulchitskiiN.A. // Proc. SPIE. 2001.V. 441З. P. 381.
52. Voitsekhovskii. A.V., Kokhanenko A.P., Nesterovich N.V., et al. // Opto-Electronics Review. 200З. V. 11. No. 2. P. 151.
53. Войцеховский А.В., ^ханенко А.П., Шульга С.А., Смит Р. // Изв. вузов. Физика. 200З. М S. С. 42.
54. Voitsekhovskii A.V., Kokhanenko A.P., Shulga S.A., Roger Smith. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2004. V. B 215. P. 109.
