Соглашение №14.604.21.0134
«Разработка научных основ технологии выращивания наногетероэпитаксиальных P+/n структур узкозонных полупроводников методом молекулярно-лучевой эпитаксии для матричных инфракрасных фотоприемников и тепловизоров»,
научный руководитель – д.ф.-м.н. М.В. Якушев

«В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «21» октября 2014 г. № 14.604.21.0134 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»

На этапе 1 выполнения Соглашения о предоставлении субсидии от 21.10.2014 г. № 14.604.21.0134 получены следующие результаты.

Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
Проведение патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96.
Обоснование и выбор конструкции инфракрасного фоточувствительного элемента, обеспечивающей повышенную рабочую температуру.
Разработка состава и структуры полупроводниковых фоточувствительных материалов.
Выбор методов измерения функциональных свойств полупроводниковых фоточувствительных материалов.
Экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием.
Исследование распределения состава фотопоглощающего слоя КРТ (HgCdTe) по площади и толщине гетероструктуры.

При этом были получены следующие результаты:

Разработаны состав и структура полупроводниковых фоточувствительных материалов.
Для фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений InAlSb выбрана следующая конструкция:
Контактный слой 1 - n-InSb, подложка (100), толщина 625 мкм, легирование Te, концентрация электронов 1–2×1018 см-3;
Поглощающий слой - In1–xAlxSb, мольная доля алюминия x≤0,03, толщина 5 мкм, нелегированный;
Контактный слой 2 - p-InSb, толщина 0,4 мкм, легирование Be, концентрация дырок 1×1018 см-3.
Применение метода молекулярно-лучевой эпитаксии позволит создать структуры высокого качества с увеличенным временем жизни неравновесных носителей заряда за счет уменьшения плотности структурных дефектов. Наличие p-n перехода позволяет уменьшить темновой ток в более чем 20 раз, повысить рабочую температуру и улучшить четкость изображения за счет подавления перекрестной электрической связи фотодиодов в смотрящей матрице. Добавление до 3% алюминия в поглощающий слой приводит к понижению темнового тока примерно в 50 раз и повышает рабочую температуру фоточувствительных элементов до 100 К.

Для фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием выбрана следующая конструкция:
Варизонный слой - Hg1-xCdxTe;
Поглощающий слой - Hg1-xCdxTe, мольная доля кадмия 0,29 ≤ x ≤ 0,31, толщина 5 мкм, легирование In, концентрация электронов 1-10×1015 см-3;
Контактный слой - p- Hg1-xCdxTe, мольная доля кадмия 0,3 ≤ x ≤ 0,6, толщина 1 мкм, легирование As, концентрация дырок 1-100×1017 см-3;
Пассивирующий слой – CdTe, толщина 0,25 мкм, не легированный.
Численным моделированием определены оптимальное расположение металлургической границы p-n перехода в контактном слое и значение концентрации индия в поглощающем слое.
Экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием позволили установить оптимальные режимы роста структуры с разработанным составом для получения низкой плотности морфологических дефектов и высокой однородности состава по площади и толщине гетероструктуры.
Отработан способ выращивания пассивирующего слоя в едином процессе. Измерения вольт-фарадных характеристик МДП структур КРТ/теллурид кадмия показали, что данная система характеризуется совершенной границей раздела, отсутствием гистерезиса, низкими плотностью встроенного заряда и плотностью поверхностных состояний.
Разработана методика измерения профиля пространственного распределения электрофизических характеристик Р+/n структур
. Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и подтверждают перспективность и целесообразность продолжения работ по проекту.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.


На этапе 2 выполнения Соглашения о предоставлении субсидии от 21.10.2014 г. № 14.604.21.0134 получены следующие результаты.

Проведены экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений InAlSb. Отработана технология термической подготовки подложек (001)InSb перед эпитаксиальным ростом. Установлены оптимальные температуры роста слоев и давления потоков, обеспечивающие (1) высокое структурное совершенство слоев InSb и In1-хAlхSb различного состава (2) минимальный уровень фонового легирования эпитаксиальных слоев на уровне Nd ~ 1,0·1015-3. Установлены условия роста (температура подложки и давление потоков) и потоки бериллия, позволяющие получать в слоях InSb концентрацию дырок до 2·1018 см-3.

Проведены экспериментальные исследования процессов легирования полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием. Рост гетероэпитаксиальных структур КРТ осуществлялся на УНУ многомодульной автоматизированной сверхвысоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии «Обь-М». Отработаны режимы легирования и найдены способы получения полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием с нужными электрофизическими характеристиками.

Легирование индием в процессе роста позволяет получать базовый материал n-типа проводимости с концентрацией (1-10)·1015 см-3, устойчивый к воздействию активационного отжига, что позволяет его использование для изготовления р- на n MWIR фотодиодов. Легирование мышьяком, как в процессе роста, так и ионной имплантацией позволяет получать материал p-типа проводимости с концентрацией до 1019 см-3.

Исследованы процессы формирования P+/n переходов в многослойных гетероструктурах КРТ. При ионной имплантации глубина p/n перехода составляет 400 нм при энергии имплантации 190 кэВ, и при двукратном увеличении энергии увеличивается до 500 нм. Глубина p/n перехода не меняется после активационного отжига. Профили распределения мышьяка по толщине образца не зависят от его состава.

Экспериментальные исследования процессов легирования полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием проводились, в том числе на оборудовании и силами сотрудников Северо-Западного Центра коллективного пользования научным оборудованием «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Разработаны лабораторные технологические инструкция изготовления полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием.

Индустриальным партнером проведена закупка оборудования для проведения технологических работ по проекту.


На этапе 3 выполнения Соглашения о предоставлении субсидии от 21.10.2014 г. № 14.604.21.0134 получены следующие результаты.

Разработаны лабораторные технологические инструкции для изготовления полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений InAlSb.

Разработаны Программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов полупроводниковых фоточувствительных материалов.

Разработана Программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов фоточувствительных элементов.

Изготовлены экспериментальные образцы полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием в количестве трех штук.

Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием. Для всех образцов время жизни неосновных носителей заряда составляла величину более 1 мкс, плотность пронизывающих дислокаций в фотопоглощающем слое была менее 2×107 см-2 и плотность V-дефектов лежала в диапазоне 730 – 990 шт/см2. Все три экспериментальных образца полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием, соответствуют требованиям ТЗ.

Выполнены исследования распределения состава фотопоглощающего слоя AlxIn1-xSb по площади гетероструктуры. Разброс состава на пластине диаметром 50,8 мм не превышает величины ошибки измерений (Δx≈0,005).

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту. Задачи, поставленные на отчетном этапе, решены полностью.

За отчетный период опубликованы следующие работы:

Journal of Physics: Conference Series 643 (2015) 012004, «Acceptor states and carrier lifetime in heteroepitaxial HgCdTe-on-Si for mid-infrared photodetectors». S.V. Zablotsky, N.L. Bazhenov, K.D. Mynbaev, M.V. Yakushev, D.V. Marin, V.S. Varavin, S.A. Dvoretsky. Результаты получены при выполнении пункта 2.2 план-графика «Экспериментальные исследования процессов легирования полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием».

А.А.Гузев, А.П.Ковчавцев, Д.В.Марин, А.В.Царенко, М.В.Якушев, Гетероструктуры CdHgTe/Si для тепловизоров работающих при повышенных температурах, Известия высших учебных заведений. Физика, 2015, т. 58, №8/2, стр. 230. Результаты получены при выполнении пункта 1.4 план-графика «Разработка состава и структуры полупроводниковых фоточувствительных материалов» и пункта 1.6 план-графика «Экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием».

Ю.Г. Сидоров, М.В. Якушев, В.С. Варавин, А.В. Колесников, Е.М. Труханов, И.В. Сабинина, И.Д. Лошкарев, Плотность дислокаций в гетероэпитаксиальных структурах CdHgTe на подложках из GaAs и Si ориентации (013), Физика твердого тела, 2015, т. 57, №11, стр. 2095-2101. Результаты получены при выполнении пункта 1.6 план-графика «Экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием».

К.Д. Мынбаев, С.В. Заблоцкий, А.В. Шиляев, Н.Л. Баженов, М.В. Якушев, Д.В. Марин, В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, Дефекты в гетероэпитаксиальных структурах теллуридов кадмия и ртути, выращенных молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках из кремния, Физика и техника полупроводников, 2016, т. 50, №2, стр. 208 – 211. Результаты получены при выполнении пункта 2.2 план-графика «Экспериментальные исследования процессов легирования полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием».

В.С. Варавин, Д.В. Марин, М.В. Якушев, Электрофизические свойства пленок CdxHg1-xTe (x = 0.3), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Si(013), Физика твердого тела, 2016, т. 58, № 4, стр. 625 – 629. Результаты получены при выполнении пункта 2.2 план-графика «Экспериментальные исследования процессов легирования полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе твердых растворов КРТ с пассивирующим покрытием».

Подана заявка на изобретение: «Способ подготовки поверхности InSb подложки для выращивания гетероструктуры молекулярно-лучевой эпитаксией», РФ. Дата поступления 02.12.2015, входящий № 079796, регистрационный №2015151820. Результаты получены при выполнении пункта 2.1 план-графика «Экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста полупроводниковых фоточувствительных материалов на основе многослойных гетероструктур из узкозонных соединений InAlSb». Проведены дополнительные патентные исследования и составлен отчет.