ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ В КАЧЕСТВЕ ФОТОПРИЕМНИКОВ

1. Начало пути

В.Н. Шумский

В 1963 году в США и в СССР появились работы, открывшие начало исследованиям в области физики и технологии гетеропереходов (ГП) - контакту двух разных материалов и их прикладного применения. Почти через сорок лет Герберту Крёмеру и директору Ленинградского Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, академику Ж.И. Алферову за эти исследования была присуждена Нобелевская премия по физике.

Изначально считалось, что преимущество ГП перед обычными p-n-переходами заключается в возможности получения большого коэффициента инжекции в транзисторах, с одной стороны, и в возможности получения широкого спектрального диапазона фоточувствительности - с другой. Несколько позднее оказалось, что по ряду причин преимущество транзисторов на ГП невелико по сравнению с обычными, но возможность получения большого коэффициента инжекции открывает блестящие перспективы для получения полупроводниковых гетеролазеров с низкими пороговыми токами

Лаборатория № 3 в 1969-1970 гг. Слева направо: стоят - И. Марончук, А. Шерстяков, Ю. Марончук, В. Шумский,..., Б. Дерюгин; сидят-А. Антоненко, Э. Гудзь,С. Шипилова, В. Акимова

Исторически сложилось так, что в ЛФТИ исследования развивались с на­правленностью на гетеролазеры, а в нашем институте - Институте физики полупроводников - с направленностью на фотоприемники. Этот выбор определил и те гете­ропереходы, которые исследовались: в ЛФТИ - AlGaAs/GaAs, а в ИФП - Ge/GaAs.

В ИФП исследования ГП начались в 1965 году и сосредоточились в лабора­тории № 3, которой тогда руководил Ю.Е. Марончук.

Методы создания ГП в то время не отличались большим разнообразием: в основном, это была газотранспортная эпитаксия GaAs. Сотрудником лаборатории И.Е. Марончуком был разработан сначала йодидный, а затем хлоридный вариант газотранспортной эпитаксии арсенида галлия. Гомоэпитаксиальные пленки GaAs (т.е. выращенные на подложках GaAs) обладали хорошими параметрами, однако, свойства ГП сильно отличались от тех, которые мы ожидали. Для высокоомных подложек германия действительно наблюдался широкий спектральный диапазон фоточувствительности, но все остальные характеристики не только не превосхо­дили, но и были хуже, чем у p-n-переходов в германии.

Оказалось, что в процессе эпитаксии через гетерограницу происходит взаимодиффузия компонентов подложки (Ge) и пленки (Ga и As), что обусловлено сравнительно высокой температурой процесса, и получить ГП в "чистом" виде невозможно. Необходимо было использовать метод, в котором температура эпитаксии была бы существенно ниже. Было ясно, что получение ГП в сверхвысоком вакууме (термин "молекулярно-лучевая эпитаксия" еще не существовал), который был нужен для обеспечения отсутствия окислов и чужеродных атомов на границе, может привести к желаемым результатам, однако беда была в том, что имевшиеся средства откачки обеспечивали давление на уровне не лучше, чем 10-5-10-6 торр.

К счастью, в 1969 году был сдан в эксплуатацию термостатированный корпус ИФП, и в Японии были куплены две сверхвысоко вакуумные установки с предельным вакуумом до 10-8 торр. Такой высокий для того времени вакуум обеспечивался применением масел для диффузионного насоса с низким давлением паров и криогенных ловушек. Одну из таких установок дирекция института выделила для работ по получению ГП Ge/GaAs.

С самого начала исследования ГП проводились комплексно. Это сейчас в каждой установке МЛЭ есть дифрактометр быстрых электронов, позволяющий in situ контролировать структуру растущей пленки. В то время такого оборудова­ния не было, поэтому структура пленок после окончания процесса роста исследо­валась методами электронографии на отражение, трансмиссионной электронной микроскопии и микродифракции.

В 1970 году силами сотрудников двух лабораторий (В.Н. Шумский, С.И. Стенин, О.И. Васин и Е.А. Криворотов) был представлен отчет по теме "Исследования структуры и электрофизических свойств гетеропереходов Ge/GaAs, полученных напылением германия в сверхвысоком вакууме", в котором были из­ложены основы этого метода.

Исследования зависимости структуры и электрофизических и оптических свойств пленок германия и ГП позволили определить диапазон температуры подложки, в котором пленки растут монокристаллическими с достаточно хорошей подвижностью, обратные токи ГП минимальны, а спектральные характеристики и фото ЭДС холостого хода в насыщении соответствуют теоретически рассчитанным значениям (~ 340 мВ).

Одновременно были получены зависимости этих величин от давления остаточных газов в вакуумной камере, откуда стало ясно, что для оптимизации свойств ГП вакуум нужно улучшать настолько, насколько можно, и использовать безмасляную вакуумную установку на основе магниторазрядных насосов "Норд", которая была изготовлена в СО РАН. Однако эту установку нужно было сначала снабдить источником для испарения германия. Из-за своей высокой химической активности при высоких температурах он буквально в считанные минуты "съедал" все тугоплавкие металлы. Мотором этой работы стал огромный энтузиаст получения ГП в вакууме, к огромному сожалению безвременно ушедший из жизни, Ю.Н. Погорелов. Он не имел конструкторского образования (заочно заканчивал в то время НГУ), но ясное понимание того, что нужно для постановки технологии ГП, его светлая голова и большая самоотдача позволяли ему твердой рукой направлять работу конструкторов. Для создания пучка германия была разработана оригинальная электронно-лучевая пушка с кольцевым катодом, позволявшая в широких пределах изменять скорость осаждения пленки.

Пожалуй, с этого времени начинается работа по созданию технологии роста ГП Ge/GaAs, пригодных для изготовления фотоприемников (ФП) и, что самое главное, линеек фотоприемников.

Ю.Н. Погорелов

Для того, чтобы ФП имели максимальную чувствительность и могли эффективно работать в системах поиска и обнаружения слабоизлучающих объектов и слежения за ними, время жизни неравновесных (созданных излучением) носителей заряда должно быть (если не рассматривать регистрацию коротковременных процессов) как можно больше. Этому требованию удовлетворяют объемный германий и кремний, и на их основе были изготовлены отличные одиночные ФП. Но задачи поиска и обзора с использованием одиночного ФП решаются крайне неэффективно. Для таких задач абсолютно необходимо иметь линейки, а еще лучше, матрицы ФП. И тут большое время жизни становится нежелательным, т. к. неравновесные носители заряда диффундируют в плоскости изображения и дают очень размытую картину. Так что, если даже объект, за которым ведется наблюдение, фокусируется в точку, то сигнал от следящей системы поступает по многим каналам, и координаты объекта определяются с недопустимой для практических требований ошибкой. Возможности разделения тонкой плёнки германия на всю толщину с помощью фотолитографии и химического травления решили эту проблему.

2. Трехспектральное устройство для селекции объекта

Результаты работ в этой области в то время не могли быть опубликованы в открытой печати, но и по "закрытым каналам" нашлись заинтересованные лица, и где-то в 1973-74 году к нам обратились представители одного из предприятий Миноборонпрома с предложением поставить НИР по изготовлению линейки ФП с очень высокими параметрами. Такую линейку ФП предполагалось использовать в головке самонаведения снарядов класса "земля-воздух". Одним из главных идеологов использования именно линеек ФП был Р.И. Банкгальтер, который вместе со своими более молодыми сотрудниками В.И. Семеновым и Е.А. Алексеевым побывал на многих предприятиях и научных учреждениях, пытаясь найти исполнителя данной работы. В конце концов они вышли на наш институт, а так как мы в то время были молоды, неудач по причине отсутствия серьезного опыта во взаимодействии с промышленностью не допускали, сама работа была очень интересна, то мы и согласились за нее взяться. Так возникла НИР "Гетер", которая была заказана (видимо, для профессионального контроля) не организацией, непосредственно заинтересованной в линейках ФП, а НИИ Прикладной физики (ныне "Орион", г. Москва), который в то время по праву считался головной организацией в части всех ФП.

Эта НИР с 1975 г. выполнялась в лаборатории № 3, которой руководил И.Г. Неизвестный, руководителем НИР был я. В выполнении НИР участвовало вместе с двумя стажерами-исследователями пять сотрудников этой лаборатории № 3 и небольшое число сотрудников других лабораторий, обеспечивающих электронографические и электронно-микроскопические исследования, а также проектирование и изготовление фотошаблонов.

В 1977 году НИР была успешно выполнена. В ходе ее выполнения были найдены оригинальные решения, которые позволили получить обнаружительную способность на длине волны максимальной чувствительности (около 0,8 мкм) на уровне (1-3)1012 см.Гц0,5/Вт и с величиной оптоэлектронной связи между элементами линейки не более 30-35 дБ при зазоре между элементами 20 и размерами элементов 80×80 мкм.

И в то время эти результаты находились, и сейчас находятся на высоком, как принято говорить, на мировом уровне и были достигнуты потому, что в наших ФП достигался эффект внутреннего усиления. В ходе выполнения работы у зав. лаб. И.Д. Анисимовой, которая курировала нашу работу в НИИ ПФ, возникли сомнения в достоверности получения столь высоких результатов.

К нам в институт приехал специалист по измерению параметров ФП, чтобы убедиться, не допустили ли мы где-нибудь ошибку. Оказалось, что ошибки нет, названные нами параметры правильны и, таким образом, впервые для ГП Ge/GaAs (и, насколько мне известно, для ГП вообще) была получена линейка ФП с параметрами, удовлетворяющими высочайшим запросам промышленных потребителей.

Директор ИФП академик А.В. Ржанов и В.Н. Шумский демонстрируют президенту Академии Наук СССР академику Александрову линейки фотоприемников на основе ГП.

Впоследствии за эту работу И.Г. Неизвестный, С.П. Супрун (бывший стажер-исследователь, а ныне заведующий нашей лабораторией) и я получили первую премию СО АН СССР на конкурсе работ по спецтематике.

Итоги выполнения НИР вдохновили наших главных заказчиков (Р.И. Банкгальтера и его команду) на дальнейшее развитие работы. Теперь они хотели получить не одну, а целых три линейки, каждая из которых была бы чувствительна в своем спектральном диапазоне, а все вместе они бы решали (после, разумеется, соответствующей обработки сигналов) задачу распознавания цели на фоне естественных и искусственных помех. Кроме того, должен был быть создан корпус, вписывающийся в реальную конструкцию снаряда и существовавшую дроссельную систему охлаждения. Понятно, что такую работу можно было выполнить только большими силами, поэтому к выполнению сначала НИР, а потом НИОКР присоединились коллективы лабораторий, которыми руководили Г.Л. Курышев и Н.Н. Герасименко и, что самое главное, к работе подключились два отдела СКТБ СЭ и АП. Неоценимую роль в координации работы сыграл заместитель директора ИФП и директор СКТБ СЭ и АП К.К. Свиташев.

Линейки ФП должны были обладать чувствительностью в трех спектральных диапазонах: видимом (0,6-0,9 мкм), ближнем ИК (3-5 мкм) и дальнем (8-12 мкм). Для первого диапазона мы использовали линейки ФП Ge/GaAs, для второго - линейки ФП на основе InSb, а для третьего - линейки на основе твердых растворов халькогенидов свинца и олова - PbSnTe. Над созданием линейки ФП на основе InSb работала лаборатория Г.Л. Курышева, а за разработку технологии получения ФП на основе PbSnTe взялась наша лаборатория.

Сотрудники лаб. № 3 В.А.Гайслер, С.П. Супрун

Начинать нужно было с методов получения пленок PbSnTe, и по традиции был избран метод напыления в сверхвысоком вакууме, который в то время уже получил более весомое название - метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). На специальное конструкторско-технологическое бюро было возложено также изготовление микросхем предварительной обработки сигнала (МПОС). Эти работы шли под руководством сначала В.А. Болдырева (позже он перешел на работу в нашу лабораторию), а потом П.П. Добровольского. Работа шла довольно тяжело, что и неудивительно: требования были очень высокие. В результате у нас получилось вот что.

Фотография 3-спектрального фотоприемного устройства. Линейка видимого диапазона размещена в верхней не охлаждаемой части корпуса, а две линейки ИК-диапазона -в нижней, охлаждаемой. Излучение (белые стрелки) падает на светоделитель. Снизу (черная стрелка) производится охлаждение линеек ИК-диапазона. Диаметр корпуса составляет 21 мм, а высота - 20,5 мм

В разработанном устройстве светоделитель пропускает излучение только с длиной волны более 1 мкм, которое попадает на линейки приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ) на основе InSb (лаб. № 14 Г.Л. Курышев) и p-n-переходов на основе PbSnTe. Отраженное излучение с длинами волн меньше 1 мкм попадает на линейку видимого диапазона (ГП Ge/GaAs.)

Размеры чувствительных элементов каждой линейки составляют 50×50 мкм, а расстояние между ними - 10 мкм.

Линейки ИК-диапазона собираются планарными плоскостями друг к другу, и освещение на ПЗИ ФП на основе InSb производится через прозрачный в этом диапазоне BaF2, на котором сформирована линейка p-n-переходов на основе PbSnTe. На момент окончания разработки трехспектрального ФП (1984 г.) в СССР точно не существовало изделий подобного класса и почти наверняка их не было и рубежом.

3. Фотоприемные устройства для "холодного" космоса

В последующие 4-5 лет шла интенсивная разработка технологии молекулярно-лучевой эпитаксии пленок PbSnTe не только на подложках BaF2, но и на германии, антимониде индия, кремнии. Значительно нам помогло то обстоятельство, что во Франции была куплена установка МЛЭ "Riber-500". По своим вакуумным характеристикам эта установка была не лучше, чем те отечественные, на которых мы работали, более того, из-за ограничений, наложенных "КОКОМ", французы продали ее нам как аналитическую камеру, даже без блока источников. Но именно полученная таким образом возможность доукомплектования установки оже-анализатором и системой развертки пучка электронов дифрактометра была тогда для нас очень важным обстоятельством.

На этой же установке нами был запущен новый метод рентгеноспектрального анализа в процессе роста пленки, на который О.И. Васин, И.Г. Неизвестный и я получили авторское свидетельство. Суть метода заключалась в том, что под воздействием пучка электронов дифрактометра атомы растущей пленки испускали, характеристическое излучение, которое регистрировалось кремниевым анализатором, способным распределить кванты излучения по энергетическим каналам. Анализируя полученный спектр можно было in situ определять состав растущей плёнки.

В результате, в 1987-1989 гг. мы выполнили большую НИОКР по передаче технологии МЛЭ пленок PbSnTe на одно из предприятий МОП. Однако с точки зрения разработки ФП полного удовлетворения у нас не было. Хотя параметры отдельных ФП – p-n-переходов на основе PbSnTe были достаточно хорошими, однородность элементов в линейках была не очень высокой, и основной причиной были несовершенные монокристаллические подложки BaF2. Наши планы стали потихоньку корректироваться в сторону разработки технологии роста пленок PbSnTe на Si с последующим созданием "монолитных" ФПУ, в которых каждый чувствительный элемент линейки или матрицы непосредственно контактирует с микросхемой предварительной обработки сигнала, изготовленной на Si. По-видимому, так бы все и произошло, но примерно в это время К.К. Свиташев согласовал с Генеральным заказчиком программу "Фотоника", в которой, помимо прочих, были и обязательства разработать многоэлементные ФПУ для дальнего ПК-диапазона, которые должны были работать на борту космических аппаратов. В соответствии с требованиями заказчика и предложениями Института космических исследований (ИКИ РАН) ФПУ должны были работать в составе ИК-телескопа и осуществлять наблюдения за излучением слабонагретых источников. Так как это излучение весьма мало, то обнаружительные характеристики ФП должны были быть чрезвычайно высокими. Это означало, что, во-первых, рабочая температура приемников должна была быть как можно более низкой, вплоть до температуры жидкого гелия (4,2 К), а, во-вторых, фон - постороннее излучение - должен быть минимален. Иначе говоря, "смотреть" фотоприемники должны были на "холодный" космос, но никак не на Землю.

Здесь нужно сделать небольшое отступление. В 70-х годах прошлого века твердый раствор Pb1-xSnxTe<In> изучался довольно интенсивно учеными Ленинграда и Москвы, главным образом, с точки зрения необычного поведения при легировании индием. В 1981 году в лаборатории ФИАН под руководством академика Б.М. Вула и практически одновременно в МГУ под руководством профессора Н.Б. Брандта было обнаружено, что при гелиевых температурах Pb1-xSnxTe<In> обладает огромной фоточувствительностью. Признаться, когда я прочел статью Б.М. Вула с сотрудниками, в которой было сказано, что образец, находящийся в металлическом экранированном криостате, изменяет свое сопротивление при включении лампы, находящейся вне криостата, я отнесся к этому довольно легкомысленно и в узком кругу позволил себе посмеяться. Однако, как это скоро выяснилось, смеяться здесь было нечему. Именно так вели себя образцы Pb1-xSnxTe<In> и у нас: излучение проходило через малейшие, невидимые щели, проходило в местах ввода контактов и, забегая вперед, скажу, что нам понадобилась большая работа по созданию криостата с малой фоновой нагрузкой.

Когда наша лаборатория включилась в исследования этого материала, прошло уже 10 лет с момента обнаружения аномально высокой чувствительности, была опубликована масса работ, но, тем не менее, нам удалось найти свою нишу. Дело заключалось в том, что практически все исследования были выполнены на "объемных" монокристаллических образцах, а выращивать монокристаллы Pb1-xSnxTe<In> - занятие не для слабонервных: рост продолжается неделями по строгой температурно-временной диаграмме. У нас, как я уже говорил, МЛЭ пленок Pb1-xSnxTe была разработана, и для получения нужного материала осталось только суметь залегировать пленки индием.

Так мы взялись за НИР "Фотоника-5", которая включала в себя получение пленок Pb1-xSnxTe<In> с параметрами, обеспечивающими регистрацию ультраслабого излучения на фоне "холодного" космоса, разработку конструкции многоэлементных (линейчатых и матричных) фотоприемников, разработку схем предварительной обработки сигнала (мультиплексоров) на кремниевых пластинах, работающих при гелиевых температурах, сборку ФПУ и, наконец, конструирование и изготовление измерительного стенда с малым уровнем фоновых засветок.

На момент начала работы за рубежом для решения подобных задач использовались примесные кремниевые и германиевые фоторезисторы и кремниевые BIB - структуры на основе: Si:Ga (до 16 мкм), Si:As, Sb, Р (до 25 мкм), Ge:B: (до 45 мкм) и Ge:Ga (150 мкм). Дискретные фотосопротивления таких типов применялись, например, в инфракрасном астрономическом спутнике IRAS. Работа; температура ФП составляла около 3-4 К, а их пороговая чувствительность лежала в пределах 2×10-17 - 1.5×10-16 Вт/Гц0,5.

Моим заместителем (ответственным исполнителем работы) стал А.Э. Климов, который со студенческих лет был связан с нашей лабораторией: после окончания НГУ он сначала был стажером-исследователем, потом аспирантом, м.н.с., с.н.с. и ведущим сотрудником. Пожалуй, самое главное, что он тогда вложил в работу - разработал и изготовил "холодный" стенд для измерения параметров наших фоторезисторов. Такого стенда в СССР тогда не существовало и не думаю, что он существует сейчас в РФ.

А.Э. Климов в предвкушении радости измерения любимых фотоприемников на основе СОТ<1п> в жидком гелии

Руководителем группы по получению пленок Pb1-xSnxTe<In> был О.И. Васин - высококлассный специалист, который, к глубокому сожалению, не сумел вынести того отношения к науке, которое сложилось в 90-е годы, и ушел от нас в 1995 году в частный бизнес.

О.И. Васин рядом с установкой МЛЭ

При легировании пленок СОТ индием непосредственно в камере МЛЭ возникли трудности, связанные с получением высокой однородности состава пленки и уровня легирования. Поэтому было проведено изучение влияния диффузионного отжига на свойства плёнок, полученных МЛЭ, и определение пределов применимости такого отжига.

Центром этого направления была (и осталась) прекрасный технолог, которая не только знает химические процессы, протекающие в реакторе, но и ощущает их неведомыми другим чувствами - Л.Ф. Васильева.

И, вообще, мне кажется, что лучшие технологи - женщины. Может быть даже, справедливо, что лучшие женщины - технологи; по крайней мере, нашей лаборатории с женщинами повезло. Каждая из них - большая мастерица своего дела. В.В. Солдатенкова обеспечивает все работы по фотолитографии, А.И. Антоненко - наш собственный "левша" - она выполняет все работы, связанные с созданием контактов на площадках, которые не во всякий микроскоп и увидишь. А.Ф. Давыдова отвечала за напыление металлов, а П.В. Крамер обеспечивает сотрудников лаборатории всем необходимым. В.Н. Шерстякова не только проводит измерения фотоэлектрических характеристик, но и, являясь руководителем аспирантуры, выбирает для всего института наиболее способных студентов.

Используя комплексную технологию, включающую в себя выращивание пленок PbSnTe<In> на подложках BaF2, методом МЛЭ и их последующий диффузионный отжиг в газовой фазе определенного состава, можно было получить материал желаемого состава с заданными параметрами, т. е. с заданной величиной темнового тока и чувствительности. Выбор параметров пленки осуществлялся, главным образом, исходя из согласования их с параметрами мультиплексора: заряд, накопленный в ячейке мультиплексора, при протекании темнового тока в течение времени накопления не должен был превышать определенного уровня.

Сидят (слева направо): Л.Ф. Васильева, В.Н. Шерстякова, А.Ф. Давыдова. Стоят: ЕЛ. Молодцова, А.И. Антоненко, П.В. Крамер и В.В. Солдатенкова

Разработкой мультиплексоров занимались сотрудники двух лабораторий: под руководством А.А. Французова и Е.И. Черепова.

А.А. Французов Е.И. Черепов А.Г. Клименко

Мультиплексоры у них были разные, но самое главное - они отлично работали в области рабочих температур от 4,2 до 25 К. Сам по себе этот факт может быть правильно оценен по вопросу, заданному сотрудником одной солидной московской организации на конференции в Новосибирске в 2003 году, т. е. 10 лет спустя: "А вы действительно сделали мультиплексоры, которые работают при гелиевых температурах?"

Сборка линеек фоторезисторов и мультиплексоров велась в лаборатории под руководством А.Г. Клименко - это была штучная работа, от качества которой зависели все предыдущие усилия. Для создания ФПУ была разработана методика микросборки с помощью холодной сварки под давлением на индиевых микростолбах при комнатной температуре.

Линейчатый фотоприёмник размером 2×128 элементов и 4 кремниевых мультиплексоров размещался на ситалловой плате размером 18×48 мм² лицевой поверхностью вверх, что обеспечивало свободное попадание излучения на фотоприемные площадки и свободный доступ к контактным площадкам мультиплексора, предназначенным для подведения постоянных и переменных управляющих напряжений.

Собранный модуль линейчатого фотоприемного устройства. В центре находится вертикально расположенная линейка фотоприемников, справа и слева к которой с помощью полиамидных шлейфов подсоединены 4 кремниевых мультиплексора

Поскольку фоточувствительные элементы в данном случае полностью электрически изолированы друг от друга, то оптоэлектронная связь между ними сведена к минимуму и определяется, в основном, бликами (вторичным отражением регистрируемого излучения) внутри конструкции, в которой размещается ФПУ.

Таким образом, мы осуществили разработку высокочувствительных линейчатых и матричных ИК-фотоприемных устройств для спектрального диапазона 6-25 мкм. Высокие пороговые характеристики этих ФПУ (Рпор<10-18 Вт/Гц1/2) позволяют использовать их для решения ряда астрофизических задач. Вместе с ИКИ РАН мы разработали проект инфракрасного обзора неба с широкоугольным охлаждаемым телескопом на солнечно-синхронном искусственном спутнике Земли "НИКА-И", где в качестве ИК-детекторов предполагалось использовать указанные ФПУ. Однако тезис о том, что в стране денег нет, распространился и на этот проект. Наши ФПУ в космос не полетели.

Но результаты этой работы, тем не менее, были высоко оценены научной общественностью. Цикл исследований - "Открытие, экспериментальное и теоретическое исследование нового класса фоточувствительных полупроводниковых материалов", соавторами которого вместе с учеными ФИАН, МГУ и Санкт Петербургского технического университета были И.Г. Неизвестный и В.Н. Шумский, был удостоен Государственной премии РФ за 1995 год.

В.Н. Шумский и И.Г. Неизвестный в гостях у А.В. Ржанова после получения Государственной премии в 1995 году. Ученики пришли поблагодарить Учителя