Диссертация (1090210), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

231Б.6. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ......................................................................... 231ПРИЛОЖЕНИЕ В. ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ РЕАЛИЗУЮЩЕЙМАТЕМАТИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ ФПУ УФ ДИАПАЗОНА ....................................... 233ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПАТЕНТЫ И АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ................................................. 24810ВВЕДЕНИЕАктуальность темы: В наше время идёт усиленный поиск альтернативных материалов для электронных и твердотельных приборов. Особое вниманиеучёные уделяют природному алмазу, который обладает уникальными свойствами и позиционируется как «материал XXI века» [1].В научной литературе опубликована информация о разработке на основеалмаза таких приборов, как транзисторы [2,3] и диоды [2,4], детекторы рентгеновского [5,6] и ядерного [5,7] излучений, варисторов [8], лазеров [9], оптоэлектронных коммутаторов [10,11], фотоэмиттеров [12] и фотодетекторов [13].В тоже время, во многих областях науки и техники наблюдается стремление к освоению УФ-диапазона спектра для решения различных задач: в науке[14], технике [15], экологии [16,17] и медицине [18], а также для разработки современной противопожарной [19] и военной техники [20].Использование вновь разработанных детекторов УФ излучения сделаетвозможным осуществлять метрологию УФ-излучения на качественно новомуровне и создавать принципиально новые приборы контроля источников УФизлучения, (таких как, пико- и наносекундные импульсные эксимерные лазерыи 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, основаные накремнии и материалах группы АIIBYI (сульфид цинка, селенид цинка и сульфидкадмия), 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 [21-23], боль-11шой шириной запрещённой зоны [24,25], высокой подвижностью носителей[24,26], малым временем жизни носителей заряда [26-28], высоким темновымсопротивлением и высокой электрической прочностью [29], повышенной температурной [30] и радиационной стойкостью алмазных кристаллов [31,32], атакже минимальным уровнем собственных шумов [25].

Тем не менее, промышленное производство алмазных фотоприёмников пока не налажено. Поэтомуявляется актуальной разработка конструкции и технологий изготовления микро- и наноэлектроники на основе полупроводниковых алмазных материалов.Цель и задачи работы: теоретическое и экспериментальное исследованиеалмазных 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 материаловс целью определения границ применимости их для изготовления твердотельныхдатчиков УФ-излучения;• разработка конструкции одноэлементных датчиков на основе природного алмаза IIа типа;• разработка основ технологии производства одноэлементных датчиковна основе природного алмаза IIа типа и их изготовление;• экспериментальное исследование электрофизических параметров алмазных датчиков УФ излучения;• разработка конструкции многоэлементных датчиков на основе природного алмаза IIа типа;• разработка технологии производства многоэлементных датчиков на основе природного алмаза IIа типа и их изготовление;• экспериментальное исследование электрофизических параметров алмазных многоэлементных датчиков УФ излучения;• разработка и изготовление приборов на основе алмазных фотодетекторов и их исследование.12Методы исследований:Для изготовления алмазных датчиков использовалась технология вакуумного напыления тонких металлических пленок и физико-химические процессы,происходящие в системах алмаз – металл.

Исследования алмазных датчиковпроводились на основе спектрального анализа и анализа спектров фотопроводимости с использованием методов, применяемых в современной физике полупроводников. Интерпретация экспериментальных результатов осуществляласьс помощью методов физики упорядоченных полупроводников, фотоэлектрических методов анализа процессов взаимодействия ультрафиолетового излученияс веществом.Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках следующих государственных программ:• «Федеральная космическая программа» 2006 – 2015 гг.;• ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на2008 – 2015 гг.;• ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007 – 2011 гг.;• МКЦП «Датчики ВВТ», согласно гособоронзаказу на 2005 – 2010 гг.;• ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»;• ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».Научная новизна работы состоит в том, что впервые были проведеныкомплексные исследования физико-технологических принципов изготовленияприборов на основе алмазных материалов, и на этой базе была разработана технология производства алмазных одноэлементных, многоэлементных детекторовматричного и линейного типа, изготовлены рабочие образцы и исследованы иххарактеристики.В процессе выполнения работы получены результаты, подтверждающиенаучную новизну:13• было показано, что высокая плотность состояний в запрещенной зонеалмаза, приводит к тому, что засветка алмазного детектора неактиничным фоновым излучением во время регистрации УФ сигнала может существенно увеличить фототок (до 50%), что может отрицательно влиять на абсолютные фотометрические измерения;• разработана технология производства одноэлементных алмазных детекторов, отличающаяся от классической полупроводниковой технологии тем, чтона операциях травления, химической обработки, фотолитографии использовалась специальная технологическая оснастка-держатель – индивидуальная дляодной алмазной пластины, а для операций напыления диэлектрических и металлических покрытий – групповая (до 10 посадочных мест);• технология химической обработки, используемая в микроэлектроникедля отмывки кремниевых пластин в кипящих растворах, показала хорошие результаты при отмывке алмазных пластин и была лишь дополнена операциейобработки в кипящем хромпике, что позволило удалять графитизацию, котораявозникает после высокотемпературных обработок алмазных пластин;• на основе анализа литературных материалов и экспериментальных исследований показано, что оптимальным материалом электродов для алмазныхматериалов, по совокупности свойств, можно считать платину с адгезионнымподслоем из тантала или титана, а для контактных площадок целесообразно использовать золото, с титаном или нитридом титана в качестве адгезионногоподслоя, либо алюминий, с последующей разваркой кристалла алюминиевойпроволокой;• экспериментальные исследования показали, что детекторы на основеалмаза, полученные по разработанной технологии, обладают порогом чувствительности ~ 3,5⋅10-12 Вт/Гц-1/2, постоянной времени ~160 мкс и динамическимдиапазоном 1300 ÷ 1700;• экспериментально получено, что изучаемые алмазные датчики имеютнесимметричную световую вольтамперную характеристику и показано, что это14происходит за счёт того, что время жизни неравновесных дырок примерно в 10раз меньше времени жизни электронов;• экспериментальные исследования показали, что с повышением напряжения смещения, форма спектра фоточувствительности алмазного фотодиодаменяется, причём у относительно чистых алмазов (концентрация азота < 1018)растёт фоточувствительность в области длин волн короче 210 нм, а у более«грязных» (концентрация азота ~ 1019) начинает расти фоточувствительность врайоне 240-280 нм, обусловленная примесными центрами (B1 и B2)• зависимость формы спектра алмазного детектора от напряжения смещения позволило сконструировать спектральный прибор, который за счёт изменения аппаратной функции своей оптической системы распознает составы многокомпонентных смесей, используя одиночный детектор;• разработана конструкция многоэлементных детекторов матричного илинейного 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%, состыкованная с мультиплексором с посредством индиевых столбцов и с её помощью было получено УФ-изображение;• экспериментальные исследования показали существенное преимущество конструкции пиксела проводящего через объём перед пикселом встречноштыревой конструкции, выразившееся в том, что темновые токи у него были вчетыре раза меньше, чувствительность в шесть раз выше, а геометрическийшум (разброс фототока от пиксела к пикселу) составлял не более 1, 1% (23,8% увстречно-штыревого пиксела);• на основе одноэлементного алмазного датчика разработано и изготовлено фотоприёмное устройство с порогом чувствительности 8,7·10-11 Вт/Гц1/2 , которое позволяет обнаружить трассер ракеты на расстоянии более 90 метров;15• на основе алмазной матрицы было разработано и изготовлено устройство наблюдения с пороговой чувствительностью 3,6·10-15 Вт/см2;• была построена математическая модель прибора наблюдения и фотоприёмного устройства на основе алмаза формата 128х128 УФ диапазона спектра, которая позволяет исследовать их характеристики, и является адекватной.• впервые в мире на основе алмазной четырёхэлементной матрицы былразработан и изготовлен высокоскоростной четырёхканальный детектор ультрафиолетового излучения, который имеет постоянную времени не хуже 1,8 нс;• была разработана и изготовлена фотометрическая установка с алмазными фотоприёмниками, работающая в УФ-С диапазоне спектра, которая позволяет с высокой точностью (до 0,001 мг/дм3) обнаруживать примеси нефтепродуктов в сточных водах.Практическая значимость работыРазработаны научные основы технологии приборостроения для созданияинформационно-измерительных приборов УФ диапазона спектра нового поколения.Разработанные конструктивные и физико-технологические основы производства алмазных одноэлементных детекторов позволяют серийно изготовлятьэти детекторы.

Характеристики

Список файлов диссертации