Описание проекта
Впервые предлагается разработать конструкцию унифицированного чипа, которая позволит создавать многофункциональные инфракрасные приемники и излучатели по принципу «Lego» - из унифицированной чипов, удобных для монтажа в микросборные многоэлементные и многоцветные конструкции.
Для реализации многоэлементных и многоцветных фотоприемников будут использованы уникальные свойства гетроструктур на основе твердых растворов InAsSb, позволяющие создавать диодные фотоприемники и излучатели, работающие в средней ИК области спектра в интервале температур от криогенных до повышенных.
Актуальность проведения научно-исследовательской работы становится явной при рассмотрении баланса между техническими требованиями, выдвигаемыми разработчиками оборудования, на элементную базу средневолновой инфракрасной оптоэлектроники и существующим предложением от производителей элементной базой инфракрасных компонентов.
К числу наиболее важных функциональных характеристик средневолновых инфракрасных оптоэлектронных компонентов (светодиодов и фотоприемников), определяющих в конечном счете характеристики приборов и систем, относятся:
1. многоэлементность в требуемой конфигурации;
2. возможность работы в нескольких спектральных областях;
3. возможность работы как в качестве источника, так и приемника излучения;
4. возможность получения источников и приемников излучения заданной конфигурации (по размерам, количеству элементов и их спектральным характеристикам) по относительно невысокой цене в небольших партиях изделий.
Существующая база многоэлементных фотоприемников представлена монолитными матричными фотоприемными устройствами российского и зарубежного производства, сформированными на основе требований к приборам тепловизионного контроля и непригодного для использования в ряде перечисленных выше инфракрасных приборах и системах, как из-за высокой стоимости, так и функциональной нецелесообразности. Существующая база одноэлементных приемников и излучателей средневолнового инфракрасного диапазона представлена небольшим количеством как российских, так и зарубежных производителей, часть из которых приведена далее в разделе «Имеющиеся аналоги», основными недостатками которых являются или высокая цена у зарубежных производителей или недостаточная функциональность у российских производителей. Многоэлементные фотоприемники и излучатели с функцией многоспектральности, как за счет использования интерференционных фильтров, так и перестраиваемых фильтров Фабри-Перо реализованы только на базе тепловых приемников и источников, имеющих значительные ограничения по параметрам чувствительности, быстродействия и энергопотребления.
Таким образом, на рынке отсутствует предложение по многофункциональным источникам и приемникам средневолнового инфракрасного излучения, совмещающим в себе перечисленные выше функции, разработка которых приведет к качественному изменению характеристик таких приборов и систем как оптические газовые датчики, портативные газоанализаторы, пирометры и теплопеленгаторы.
Предлагаемый в проекте подход основан на нескольких ключевых положениях, которые позволяют преодолеть ограничения, накладываемые существующей элементной базой ИК фотоприемников и реализовать следующие положения:
1. Возможность получения на основе одних и тех же материалов и структур, как источников, так и приемников излучения, что обеспечивает унификацию и удешевление производственных процессов и невозможно в зарубежных аналогах на основе материалов КРТ;
2. Шаг по длине волны в диапазоне длин волн 3-5 мкм (длинноволновой границе фоточувствительности или максимума фоточувствительности/электролюминесценции): 0.2-0.4 мкм, что обеспечивает наилучшее соотношение сигнал/шум в оптопарах оптимизированных для заданной длины волны по сравнению с лучшими зарубежными аналогами (VIGO System S.A.) у которых шаг по длине волны: 1 мкм;
3. Чувствительность фотоприемников в диапазоне длин волн 3-5 мкм: ≥1.5 А/Вт, что более чем в 1.5 раза превосходит значения лучших фотоприемников зарубежных аналогов (VIGO System S.A.);
4. Размер активной/фоточувствительной области: от 10 до 1000 мкм и более, что позволяет получить широкий спектр конфигураций элементов и невозможно в аналогах на основе материалов КРТ и квантоворазмерных слоев, в которых большое последовательное сопротивление или наличие множественных потенциальных барьеров приводит к шнурованию тока и уменьшению внешней квантовой эффективности в протяженных активных/фоточувствительных областях;
5. Отсутствие энергопотребления в фотоприемниках (режим фототока или фотоЭДС без внешнего смещения), что приводит к уменьшению энергопотребления и увеличению обнаружительной способности за счет отсутствия токовых шумов;
6. Быстродействие с характерными величинами от десятков наносекунд и возможность детектирования как импульсных, так и непрерывных сигналов, что на несколько порядков величин превосходит возможности наиболее близких по цене аналогов (тепловых фотоприемников зарубежного производства Heiman Sensor GmbH, InfraTec GmbH);
7. Характерная величина стоимости одиночных элементов – от сотен до единиц тысяч рублей (в зависимости от размера), что на порядок ниже стоимости зарубежных аналогов полупроводниковых фотонных фотоприемников (VIGO System S.A.) и связано, как с использованием более «экономически-эффективных» материалов А3В5, так и более универсальных подходов к конструированию чипов.
