14

4. Исследование путей создания неохлаждаемых приемников на основе принципов волновой микромеханики для тепловизионных каналов»

4.1.Новые типы фотоприемников.

4.1.1.Анализ состояния и прогноз развития фотоприемных устройств.

Прогресс в разработке новых типов фотоприемников идет главным образом за счет разработки новых типов фоточувствительных материалов, использующих особенности фотопоглощения в структурированных полупроводниковых материалах. Это напоминает тенденции в развитии полупроводниковых лазеров, но в отличие от последних, используются не квантовые излучательные, а обратные – квантовые поглощающие переходы.

На смену вакуумным фотоумножителям для сверхчувствительного приема света приходят лавинные фотодиоды (ЛФД). В них, как и в других фотодиодах, р-n переход на границе двух разных полупроводников, обеспечивает прохождение тока только в одном направлении. Но, в отличие от обычных фотодиодов, за счет потенциала смещения, электроны ускоряются и вызывают ионизацию атомов полупроводника, т.е. возникает эффект лавины. В настоящее время уже создан ЛФД на основе кремния для области 400-110 нм, на основе германия –800-1150 нм и на основе InGaAs – 900-1700 нм. В предстоящие годы чувствительность ЛФД в видимой и ближней ИК области будет доведена до 1-2 фотонов при исключительно низком уровне шума и наносекундном быстродействии.

Прогресс технологии производства двухмерных решеток ЛФД автоматически переносит их уникальные характеристики на прием изображений, включая ИК диапазон. Это представляет принципиальный шаг в ночном видении с помощью весьма компактных и легких устройств, как для индивидуального пользования, так и в средствах наблюдения авиационного и космического базирования.

Для детектирования излучения в среднем ИК диапазоне разрабатываются «квантово-точечные» фотодетекторы на основе квантовых переходов между внутризонными «нанозонами». Для этого используются напряженные гетероструктуры, такие как Ga(In)As на GaAs, в которых выращиваются методом самосборки, т.е. в процессе самоорганизации, островки, ведущие себя как квантовые наноразмерные области или «квантовые точки». Впервые «квантовые точки» были использованы для создания полупроводниковых лазеров десятки лет назад. Позже было обнаружено, что время межподзонной релаксации мало при малом уровне возбуждения. Это позволяет наряду с трехмерным (3D) квантовым ограничением носителей заряда создавать практически идеальные фотодетекторы на межподзонных переходах. Фотодетекторы такого типа, созданные 5 лет тому назад, обладают необычными свойствами: низким темновым током, высокой чувствительностью, приемлемой квантовой эффективностью. Такие фотодетекторы могут быть изготовлены в виде 2D-решеток. В 2002 г. продемонстрирована способность детектирования при 100 К и напряжении смещения V_cм=0,2 В. Можно прогнозировать быстрое развитие этого нового направления в приеме ИК излучения в средней области.

Одно из критических направлений развития ИК фотодетекторов – повышение рабочей температуры. Можно предвидеть, что помимо известных термоэлектрических компактных охлаждающих устройств, будут разработаны лазерные методы охлаждения. На первый взгляд кажется, что лазерное излучение может только нагреть вещество. Однако, еще в 1981 г. в экспериментах, проведенных в Институте спектроскопии РАН (В.И.Балыкин, В.С.Летохов) было продемонстрировано охлаждение свободных атомов лазерным излучением до температур порядка 0,001 К. Затем последовал исключительно быстрый прогресс этих работ во всем мире. Рассматриваются возможности охлаждения конденсированной среды за счет антистоксовых переходов примесных ионов, возбуждаемых лазерным излучением. Первые демонстрационные эксперименты в этом направлении осуществлены в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США, в которых осуществлено лазерное охлаждение на . Поскольку с помощью твердотельных лазеров с накачкой полупроводниковыми лазерами можно преобразовать электрическую энергию в когерентный свет с КПД 30-40%, открывается принципиальная возможность лазерного охлаждения компактных ИК полупроводниковых приемников нового типа. Это направление поисковых исследований и разработок будет развиваться в ближайшие 10 лет.

4.2. Создание формирователей сигналов теплового изображения на базе принципов волновой микромеханики в диапазоне длин волн 8…12 мкм.

В настоящее время задача получения информации об объектах с помощью тепловидения решается по двум направлениям: создание охлаждаемых фотонных многоэлементных приемников изображения на узкозонных полупроводниках и создание неохлаждаемых тепловых (основанных на использовании тепловой энергии поглощенного излучения объекта) болометрических и пироэлектрических многоэлементных приемников изображения. В области дальнего ИК диапазона спектра предельные значения обнаружительной способности фотонных и тепловых приемников сближаются, несмотря на принципиально меньшую чувствительность тепловых приемников. Отсутствие необходимости в охлаждении последних, а также более простая и дешевая технология изготовления делают их конкурентоспособными в сравнении с фотонными, а задачу совершенствования тепловых приемников актуальной.

Поэтому необходимо решить задачу создания теоретических и технологических основ построения формирователей сигналов теплового изображения (ФСИ) с улучшенной обнаружительной способностью в диапазоне длин волн спектра 8 – 12мкм.

Разрабатываемые устройства основаны на предложенных принципах волновой микромеханики (использование бегущих упругих волн в микроволноводах), благодаря чему они обладают свойствами внутреннего самосканирования теплочувствительных, например пироэлектрических, элементов и внутреннего усиления полезного сигнала.

Наряду с улучшением чувствительности при этом упрощается технология их изготовления за счет отказа от жестких топологических норм при производстве чипов приемников изображения.

В настоящее время датчики изображения тепловизионных устройств представлены, в основном, охлаждаемыми фотонными матричными ФСИ, неохлаждаемыми пировидиконами, неохлаждаемыми матричными болометрическими микромеханическими устройствами, в которых для опроса теплочувствительных элементов используется кремниевая микросхемотехника. Однако, последние требуют затраты энергии на термостабилизацию устройств.

В России разработки по указанным направлениям проводятся со значительным отставанием в части достигнутых параметров изготовленных устройств, что вызвано, в частности, отставанием в области технологии с субмикронными топологическими нормами.