Выписка из протокола заседания НТС (Физико­технологические принципы разработки и производства алмазных ультрафиолетовых детекторов и приборов на их основе), страница 2

Использование вновь разработанных детекторов УФ излучения сделает возможным осуществлять метрологию УФ-излучения на качественно новом уровне и создавать принципиально новые приборы контроля источников УФ излучения, (таких как, пико- и наносекундные импульсные эксимерные лазеры и лампы высокого давления), которые используются в лазерной технике, полиграфии, производстве интегральных схем, биотехнологии, и других областях, включая экологию и технику безопасности.

В настоящее время детектирование УФ-излучения, в основном, производится посредством громоздких и ненадежных вакуумных приборов: фотоэлементов и фотоумножителей. Твердотельные фотоприемники, основанные на кремнии и материалах группы АлВ з (сульфид цинка, селенид цинка и сульфид кадмия), также не решают всего круга задач. Для производства современной и надежной оптико-электронной техники, функционирующей в УФ-диапазоне электромагнитного спектра, требуется разработка других детекторов излучения. Очевидные преимущества алмазных фотоприемников определяются уникальными свойствами природного алмаза: высокой прочностью, большой шириной запрещенной зоны, высокой подвижностью носителей, малым временем жизни носителей заряда, высоким темновым сопротивлением и высокой электрической прочностью, повышенной температурной и радиационной стойкостью алмазных кристаллов, а также минимальным уровнем собственных шумов. Тем не мение, промышленное производство алмазных фотоприемников пока не налажено.

Поэтому является актуальной разработка технологий изготовления микро- и наноэлектроники на основе полупроводниковых алмазных материалов. ель и за ачи аботы — теоретическое и экспериментальное исследование алмазных материалов, технологических процессов изготовления алмазных детекторов УФ излучения, разработка их конструкции, изготовление и экспериментальное исследование. Основными задачами исследования являлись следующие: теоретическое и экспериментальное исследование алмазных материалов с целью определения границ применимости их для изготовления твердотельных датчиков УФ-излучения; разработка конструкции одноэлементных датчиков на основе природного алмаза 11а типа; 5 разработка основ технологии производства одноэлементных датчиков на основе природного алмаза 11а типа и их изготовление; экспериментальное исследование электрофизических параметров алмазных датчиков УФ излучения; разработка конструкции многоэлементных датчиков на основе природного алмаза Па типа; разработка технологии производства многоэлементных датчиков на основе природного алмаза Иа типа и их изготовление; экспериментальное исследование электрофизических параметров алмазных многоэлементных датчиков УФ излучения; разработка и изготовление приборов на основе алмазных фотодетекторов и их исследование.

На чная новизна работы состоит в том, что впервые были проведены комплексные исследования физико-технологических основ изготовления приборов на основе алмазных материалов и на этой базе была разработана технология производства алмазных многоэлементных детекторов матричного и линейного типа, изготовлены рабочие образцы и исследованы их характеристики. В процессе выполнения работы получены результаты, подтверждающие научную новизну: было показано, что высокая плотность состояний в запрещенной зоне алмаза, приводит к тому, что засветка алмазного детектора неактиничным фоновым излучением во время регистрации УФ сигнала может существенно увеличить фототок (до 50О4), что может отрицательно влиять на абсолютные фотометрические измерения; разработана технология производства одноэлементных алмазных детекторов, отличающаяся от классической полупроводниковой технологии тем, что на операциях травления, химической обработки, фотолитографии использовалась специальная технологическая оснастка- держатель — индивидуальная для одной алмазной пластины, а для операции напыления диэлектрических и металлических покрытий групповую (до 10 посадочных мест); технология химической обработки, используемая в микроэлектронике для отмывки кремниевых пластин в кипящих растворах показала хорошие результаты при отмывке алмазных пластин и была лишь дополнена операцией обработки в кипящем хромпике, что позволило удалять графитизацию возникающую, после высокотемпературных обработок алмазных пластин; на основе анализа литературных материалов и экспериментальных исследований показано, что оптимальным материалом электродов для алмазных материалов, по совокупности свойств, можно считать платину с адгезионным подслоем из тантала или титана, а для контактных площадок целесообразно использовать золото, с титаном или нитридом титана в качестве адгезионного подслоя, либо алюминий, с последующей разваркой кристалла алюминиевой проволокой; экспериментальные исследования показали, что детекторы на основе алмаза, полученные по разработанной технологии, обладают порогом чувствительности — 3,5 10" Вт/Гц'", постоянной времени -1бО мкс и динамическим диапазоном 1300 —: 1700; экспериментально получено, что изучаемые алмазные датчики имеют несимметричную световую вольт-амперную характеристику и показано, что это происходит за счет того, что время жизни неравновесных дырок примерно в 10 раз меньше времени жизни электронов; экспериментальные исследования показали, что с повышением напряжения смещения, форма спектра фоточувствительности алмазного фотодиода меняется, причем у относительно чистых алмазов (концентрация азота < 10 ) растет фоточувствительность в области длин 18 волн короче 210 нм, а у более «грязных» (концентрация азота — 10 ) 19 начинает расти фоточувствительность в районе 240-280 нм, обусловленная примесными центрами (В1 и В2) зависимость формы спектра алмазного детектора от напряжения смещения позволило сконструировать спектральный прибор, который за счет изменения аппаратной функции своей оптической системы распознает составы многокомпонентных смесей, используя одиночный детектор; разработана конструкция многоэлементных детекторов матричного и линейного типа, отличающаяся тем, что детектирование УФ-излучения происходит в алмазных фотоприемниках, а обработка электрического сигнала (накопление, опрос) — в кремниевом мультиплексоре; впервые в мире была изготовлена алмазная матрица форматом 128х128, спектральным диапазоном от 180 до 270 нм, с геометрическим шумом 8,5',4, состыкованная с мультиплексором с помощью индиевых столбцов и получено с ее помощью УФ-изображение; экспериментальные исследования показали существенное приемущество конструкции пиксела проводящего через объем перед пикселом встречно-штыревой конструкции, выразившееся в том, что темновые токи у него были в четыре раза меньше, чувствительность в шесть раз выше, а геометрический шум (разброс фототока от пиксела к пикселу) составлял не более 1, 1',о (23,80~о у встречно-штыревого пиксела); на основе одноэлементпого алмазного датчика разработано и изготовлено фотоприемное устройство с порогом чувствительности 8,7 10 1! 112 Вт/Гц, которое позволяет обнаружить трассер ракеты на расстоянии более 90 метров; на основе алмазной матрицы было разработано и изготовлено устройство наблюдения с пороговой чувствительностью 3,6 10 " Вт/см'; была построена математическая модель прибора наблюдения и фотоприемного устройства на основе алмаза формата 128х128 УФ диапазона спектра, которая позволяет исследовать их характеристики и является адекватной.

впервые в мире на основе алмазной четырехэлементной матрицы был разработан и изготовлен высокоскоростной четырехканальный детектор ультрафиолетового излучения, который имеет постоянную времени не хуже 1,8 нс; была разработана и изготовлена фотометри ческая установка с алмазными фотоприемниками, работающая в УФ-С диапазоне спектра, которая позволяет с высокой точностью (до 0,001 мг/дм ) обнаруживать примеси нефтепродуктов в сточных водах. П актическая значимость аботы Разработаны научные основы технологии приборостроения для создания информационно-измерительных приборов УФ диапазона спектра нового поколения.

Разработанные конструктивные и физико-технологические основы производства алмазных одноэлементных детекторов позволяют серийно изготовлять эти детекторы. Так, внедрены в производство в ООО «ПТЦ «УралАлмазИнвест» и серийно выпускаются одноэлементные алмазные детекторы ФРАО-1 (ТУ 4437 — 002 — 11651143 — 2005) и ФДАО-1 (ТУ 4437 — 001 — 11651143 — 2005), которые используются для изготовления фотоприемных приборов нового поколения. В частности, на основе датчика ФДАО-1 на ЗАО «Концерн «МОЙДОДЫР» была разработана система автоматического оперативного контроля качества воды, которая устанавливается на блочно-модульные установки по очистке сточных вод от нефтепродуктов.

В АО «Конструкторское бюро приборостроения им. Академика А,Г, Шипунова» Фотоприемного устройство УФ диапазона спектра на основе ФДАО-1 использовалось в рамках НИР «ЗРПК вЂ” СМ» для обнаружения трассеров ракет. Одноэлементный прибор ФГ1Я-1 (прототип ФДАО-1) был установлен на технологический наноспутник ТНС-0 №1 производства ФГУП «РНИИ КП», где успешно проработал в качестве датчика солнечной ориентации в условиях реального космического полета. Разработанные конструктивные и физико-технологические основы производства алмазных многоэлементных детекторов матричного и линейного типа позволяют серийно изготовлять эти детекторы и приборы на их основе. Так, многоэлементная матрица УФ ФП (ИЛУЮ.203319.007ТУ) серийно выпускается 000 «ПТЦ «УралАлмазИнвест» и вошла в перечень электронной компонентной базы разрешенной для применения при разработке, модернизации, производстве и эксплуатации вооружения, военной и специальной техники (ЭКБ 08 — 2015). Полученные в работе экспериментальные данные по фотоэлектрическим характеристикам алмазных одноэлементных и 8 многоэлементных фотоприемников позволит широко внедрять их в таких актуальных областях науки, техники и технологии, как детектирование УФ излучения с целью обнаружения источников утечки электроэнергии, очагов возгорания, пусков боевых ракет и выстрелов из стволовой артиллерии.