Состояние и перспективы развития охлаждаемых фотоприемных устройств на кадмий-ртуть-теллуре

Технологии инфракрасной оптоэлектроники и фотоники признаны в мире критическими технологиями, определяющими уровень научного и технологического развития страны. Ключевыми элементами всех оптико-электронных систем (ОЭС) являются фотоприемные устройства (ФПУ), которые регистрируют световые потоки различных диапазонов длин волн, поступающие на вход ОЭС и преобразовывают их в электрические сигналы. 

Журнал Технологии Защиты уже писал о состоянии дел в этой области (Вадим Старцев, Аркадий Наумов «Современные фотоприемные устройства инфракрасного спектра и тенденции развития» // Технологии защиты, №5-2018, с. 66-70). Цель настоящего обзора – более детальный анализ охлаждаемых фотоприемных устройств на кадмий- ртуть-теллуре как одного из важнейших материалов фотоники. Уровень современной фотоэлектроники определяется развитием технологий матричных фотоприемных устройств (МФПУ) новых поколений на все спектральные диапазоны оптического излучения, в первую очередь, инфракрасного. В последние годы темпы развития тепловизионной и теплопеленгационной техники и смена поколений фотоэлектронных приборов заметно ускорились. По данным фирмы Maxtech International (США) рынок ИК-систем (гражданских и военных) составил в 2017 году $10,5 миллиардов. Среднегодовой рост рынка ИК-систем составляет 4 6%, т.е. в 2023 году превысит 17 млрд. долл. Доля МФПУ в этом объеме составляет ~ 20%.

Рис.1 Прогноз рынка тепловизионных систем до 2023 г. (источник Maxtech International)

Для высокоэффективных дальнодействующих ИК-систем применяют, как правило, охлаждаемые МФПУ. Типичная конструкция современного МФПУ показана на рис.2. Гибридный фотоприемный узел, включающий матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную с кремниевой интегральной схемой считывания, смонтирован в вакуумный корпус МФПУ. Охлаждение МФПУ обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения (МКС), интегрированной с корпусом МФПУ и работающей по циклу Стирлинга. 

В настоящее время на повестке дня стоит разработка инфракрасных МФПУ второго и третьего поколений. Ко второму поколению относятся МФПУ «смотрящего типа» с числом элементов до 106 (мегапиксель). К третьему поколению относятся МФПУ мегапиксельных форматов с уменьшенным шагом элементов, обеспечивающие высокое пространственное разрешение ОЭС. 

Рис.2. Конструкция модуля с охлаждаемым МФПУ.

Основные полупроводниковые фоточувствительные материалы 

Основой МФПУ являются полупроводниковые фоточувствительные материалы, роль которых в достижении их конечных характеристик все более возрастает. В последнее время круг этих исходных материалов для инфракрасной фотоэлектроники обозначился достаточно ясно. Доминирующими для охлаждаемых МФПУ остаются полупроводниковое тройное соединение «кадмий-ртуть-теллур» HgCdTe (КРТ) на спектральные диапазоны 1-2,5 мкм; 3-5 мкм; 8-14 мкм и полупроводниковое двойное соединение антимонид индия (InSb) на диапазон 3-5 мкм (рис. 3). 

Значительное расширение областей применения МФПУ коротковолнового ИК-диапазона спектра (0,9-1,7 мкм) привело к развитию тройного полупроводникового соединения индий-галлий-мышьяк (InGaAs), появлению охлаждаемых МФПУ на основе сверхрешеток (InAs/GaSb Type II SL) и квантовых ям (QW,QD). 

Рис.3. Различные материалы для ИК-детекторов

КРТ – основной материал современной инфракрасной фотоники 

К середине 80-х годов ХХ века тройное полупроводниковое соединение CdHgTe (КРТ) утвердилось в мире как один из основных материалов ИК-фотоэлектроники, оставив позади по объему продаж (наряду с антимонидом индия) другие фоточувствительные материалы. (рис.4). 

Впервые в 1959 г. в Англии Лоусоном, а в СССР в 1960 г. А.Д. Шнейдером из Львовского педагогического института были опубликованы две работы, посвященные исследованию системы CdTe-HgTe. Из них следовало, что оба соединения обладают бесконечной растворимостью по отношению друг к другу и образуют непрерывный ряд твердых растворов с плавно меняющейся шириной запрещенной зоны. Меняя состав x твердого раствора CdxHg1—xTe в пределах 0,2-0,5, можно было получить материал, пригодный для детектирования ИК-излучения во всех трех «окнах» прозрачности земной атмосферы – 1,5-2,5; 3-5 и 8-14 мкм.

Рис.4 Доли различных материалов в продажах ИК-систем

Технология получения КРТ носит сложный многоступенчатый характер и включает тонкую очистку исходных Cd, Hg и Те, синтез соединений HgTe и CdTe, получение поликристаллов и монокристаллов CdHgTe. В настоящее время слои КРТ получают методом эпитаксии на подходящей подложке. Метод жидкофазной эпитаксии слоя КРТ на подложке из соединения кадмий-цинк-теллур (КЦТ) является основным промышленным методом изготовления эпитаксиальных слоев в ведущих мировых фирмах, производящих многоэлементные и матричные фотодиоды. Основные преимущества этого метода: относительно низкая стоимость и высокая производительность оборудования, автоматическая доочистка поверхности на начальном этапе роста, дополнительная очистка от примесей в процессе роста и однородность состава по площади. 

Тенденции развития МФПУ на КРТ 

В последнее десятилетие в матричной фотоэлектронике инфракрасного диапазона наметился целый ряд новых направлений и тенденций, связанных с повышением разрешающей способности систем, усовершенствованием методов регистрации сверхслабых оптических сигналов, созданием быстродействующих и многоспектральных систем, формированием инфракрасных 3D-изображений и др.: 

• переход на полный мегапиксельный формат 1024×1280 элементов с одновременным уменьшением шага элементов; 
• создание сверхкрупноформатных матриц; 
• развитие «высокотемпературных» МФПУ для минимизации габаритов, веса и потребляемой мощности (SWaP – Size, Weight and Power). 

Уменьшение шага и повышение формата является всеобщим трендом практически для всех мировых разработчиков и производителей МФПУ на КРТ. Фирма Leonardo (Великобритания) уже достигла шага 8 мкм для матриц мегапиксельного формата средневолнового ИК-диапазона, а фирма Lynred (Франция) к 2020 году планирует достичь шага 5-7 мкм для таких матриц (рис. 4) и совместно с научным центром CEA LETI (Франция) проводит интенсивные работы в этом направлении. Формат МФПУ 640×512 элементов при шаге 15 мкм является в настоящее время основным форматом и, по-видимому, по соотношению «цена–качество» на ближайшие 5-10 лет он таковым и останется. Ведущими фирмами-разработчиками МФПУ в качестве коммерчески доступного достигнут мегапиксельный формат 1280×1024 элементов. 

Рис.5 Тенденции по снижению шага фоточувствительных элементов в МФПУ на КРТ разработки фирм Lynred и Leonardo в диапазонах 2-5 мкм (MWIR) и 8-12 мкм (LWIR).

В настоящее время цены на такие матрицы достаточно высоки и не позволяют разработчикам аппаратуры осуществить массовый переход на него. Однако уже к 2025 году такой переход произойдет. Таким образом, за последнее время за рубежом (в большей степени) и у отечественных производителей (в меньшей степени) произошло значительное продвижение в области инфракрасных матричных фотоприемных устройств, и все в большей степени передовые образцы МФПУ становятся доступны гражданским потребителям. Это значительно расширяет перспективы совершенствования и создания новых инфракрасных оптико-электронных систем с увеличенными дальностями обнаружения, распознавания и идентификации, а также поддерживает устойчивый рост объема рынка в этой области.

Табл.1 Матричные ФПУ на основе КРТ различных производителей

Ситуация в России 

В России проблема обеспечения разработок и производства в области ИК-фото-электроники отечественными фоточувствительными материалами стоит достаточно остро. К настоящему времени удалось разработать технологии и создать производственные участки по выпуску некоторых фоточувствительных материалов, в том числе монокристаллов антимонида индия, эпитаксиальных структур КРТ, а также полупроводниковых подложек «кадмий-цинк-теллур» (КЦТ) (разработчик технологии производства АО «Гиредмет»). Несмотря на весь прогресс технологии, подложки большой площади из CdZnTe остаются дорогими изделиями с трудно воспроизводимыми характеристиками. В связи с этим повсеместно разрабатываются технологии создания гетероструктур CdHgTe на альтернативных подложках, таких как Si, GaAs, Ge. Большое различие параметров кристаллических решеток, химическая и структурная несогласованность КРТ на Si делает задачу разработки и изготовления МФПУ на основе структур КРТ/Si с подходящими параметрами чрезвычайно сложной. 

Рис.6. Матричный фотоприемный модуль на основе охлаждаемой матрицы КРТ

В ИФП СО РАН разработана технология и изготовлено оборудование для решения данной задачи. Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий, сосредоточенных в АО «Швабе» и АО «Росэлектроника», в Российской академии наук, а также частные предприятия. Основными поставщиками тепловизионных ФПУ и МФПУ являются АО «НПО «Орион» и АО «МЗ Сапфир», входящие в АО «Швабе», а также частное предприятие АО «ОКБ «АСТРОН». АО «НПО «Орион» разрабатывает и ведет производство охлаждаемых и неохлаждаемых фотоприемников, материаловедческая база предприятия ориентирована на молекулярно-лучевую эпитаксию. АО «МЗ «Сапфир» производит охлаждаемые и неохлаждаемые ФПУ на основе Si, Ge, InSb, CdHgTe. АО «НИИ «Полюс» развивает неохлаждаемые ФПУ на основе InGaAs и производство фоточувствительных полупроводниковых структур методом эпитаксии из металлорганических соединений. Предприятия АО «Росэлектроника» специализируются на разработке и производстве матриц видимого диапазона на основе кремния, охлаждаемых МФПУ на основе квантовых ям, барьера Шотки из силицида платины, видиконов, пироэлектрических приемников и глубокоохлаждаемых ФПУ на основе примесного кремния (АО «НПП «Пульсар», АО «ЦНИИ «Электрон», АО «ЦНИИ «Циклон» АО «НПП «Восток»). 

Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН развивает полупроводниковое материаловедение и ФПУ на основе CdHgTe, InAs, микроболометров и квантовых ям. АО «ОКБ «АСТРОН» (г. Лыткарино) разрабатывает и производит тепловизионные приборы гражданского назначения на основе неохлаждаемых МФПУ собственного производства, а также охлаждаемых МФПУ на основе CdHgTe совместно с ИФП СО РАН. Таким образом, в настоящее время в России разработан ряд МФПУ второго поколения, а также крупноформатные и ИК ФПУ «смотрящего типа». АО «НПО «Орион» приступило к серийному выпуску МФПУ средневолнового диапазона. Специалисты АО «ОКБ «АСТРОН» приступили к серийному выпуску матричного фотоприемного модуля в длинноволновом диапазоне на основе охлаждаемой матрицы КРТ/Si (производства ИФП СО РАН) и собственной микрохолодильной системы АСТРОН-МКС500. АСТРОН-МКС500 работает по замкнутому обратному термогазодинамическому регенеративному циклу Стирлинга с внутренней регенерацией тепла, в качестве рабочего тела используется сверхчистый газообразный гелий. Достигнутые результаты близки по своим показателям к мировому уровню.

Перспективы развития рынк а ФПУ на КРТ 

Последнее десятилетие можно охарактеризовать как период стремительного и плодотворного развития технологий теллурида кадмия-ртути и приборов на его основе. Основа, заложенная в 60- 80-е годы прошлого века специалистами НИИ прикладной физики, ГИРЕДМЕТа, Сибирского НИИОС и многих других организаций, несмотря на сложный период реорганизации науки и промышленности в стране, позволила решить крупную научно-техническую проблему по созданию элементной базы для нового поколения приборов тепловидения, высокосовершенных монокристаллов и эпитаксиальных слоев КРТ и инфракрасных матричных фотоприемных устройств на их основе. Несмотря на изобилие новых идей и методов регистрации ИК-излучения в диапазоне 8-14 и 3-5 мкм (квантовые ямы, сверхрешетки на основе широкозонных полупроводников и другие структуры), приборы на основе КРТ (вместе с фотоприемниками на основе InSb и микроболометрами) вероятнее всего будут доминировать в оптико-электронном приборостроении. В ближайшем будущем использование описанных технологий на основе КРТ приведет к созданию более крупноформатных матричных приборов для тепловидения. Мы считаем, что динамику развития ФПУ на основе КРТ можно оценить, как представлено на рис.7

Рис. 7. История и прогноз развития МФПУ на основе КРТ, шт (Источник – Maxtech. International, расчёты авторов)  

Для России задачи достижения паритета с мировым уровнем, а также создания опережающего научно-технического и технологического заделов для развития МФПУ могут быть решены программно-целевым методом, предусматривающим проведение комплекса мероприятий технического и организационного характера в рамках государственно-частного партнерства.