Разработка типоразмерного ряда дискретных и многоэлементных кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения для сканирующих, акселерометрических и гироскопических систем

В ходе выполнения 1 этапа проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17 июня 2014 г. № 14.575.21.0018 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 в период с 17.06.2014 г по 31.12.2014 г выполнялись следующие работы:

  • Аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИР.
  • Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
  • Исследование существующих аналогов полупроводниковых фотодиодов для определения путей повышения их эксплуатационных характеристик.
  • Определение материалов примесей и построение их профилей распределения в элементарных ячейках (дискретный фотодиод).
  • Математическое моделирование различных вариантов конструкций элементарных ячеек (дискретный фотодиод) кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
  • Выбор оптимальной конструкции элементарной ячейки (дискретный фотодиод) кремниевого фотодиода фотовольтаического применения.
  • Разработка лабораторного технологического регламента изготовления элементарной ячейки (дискретный фотодиод).
  • Разработка топологических чертежей тестовых образцов тестовых образцов элементарной ячейки (дискретный фотодиод).
  • Разработка эскизной конструкторской документации на стенд для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
  • Изготовление стенда для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
  • Закупка оборудования для проведения исследований.
  • Выбор технологических процессов и расчет режимов их проведения для обеспечения их изготовления.
  • Участие в мероприятиях направленных на популяризацию ПНИ.

При этом были получены следующие результаты:

  • Проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИР.
    • Представлен обзор существующих конструкций акселерометров на основе различных физических явлений. Внимание было уделено основным характеристикам акселерометров, требованиям, предъявляемым к ним. Особо были выделены оптические акселерометры, как объекта данной научно-исследовательской работы, в части создания фотоприемников для акселерометрического применения.
    • В первой части рассмотрены основные свойства акселерометров и приведена их краткая классификация. В настоящее время активно исследуются оптические акселерометры, позволяющие создавать МЕМS-структуры.
    • Вторая часть посвящена фотодетекторам основные принципы работы и основные конструкции фотоприемников, часто используемые для создания акселерометров
    • Последняя часть охватывает ИК-ФП, наиболее востребованный тип фотодетекторов, и материалы для их производства. Отмечены основные достижения в технологии изготовления приемников и обозначены пути дальнейшего развития.
    • Отметим, что, несмотря на успехи последнего десятилетия в создании фотоприемников на основе тройных и двойных соединений, остается множество проблем. В этой связи перспективным представляется создание кремниевых фотоприемников для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов для широкого спектра применений. В пользу такого выбора говорит хорошо отлаженная технология создания кремниевых интегральных схем.
  • Ссформирован отчет о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96;
  • Получены результаты исследования существующих аналогов полупроводниковых фотодиодов для определения путей повышения их эксплуатационных характеристик.
    • Анализ экспериментальных данных показал, что некоторые фотодиоды фирмы Hamamatsu на основе Si обладают неплохой фоточувствительностью (больше 40 % от максимальной фоточувствительности на l=650 нм) в коротковолновой области (S3071, S3059, G2119). Это может объясняться низким значением поверхностной рекомбинацией за счет специальной обработкой поверхности.
    • В длинноволновой области спектра (до l=1100 нм) наилучшие показатели фоточувствительности имеют кремниевые фотодиоды разных производителей.
    • Практически все исследуемые фотодиоды имеют низкие (порядка единиц пА) значения темновых токов (следовательно, высокую чувствительность). Зависимости значения темнового тока от материала и структуры исследуемых фотоприемников обнаружено не было.
    • Таким образом, среди всех исследуемых фотодиодов наилучшую совокупность параметров показали p-i-n фотодиоды компании VISHAY.
  • Проведен выбор материала примеси и построение профилей.
  • Проведено компьютерное моделирование различных структур;
  • Проведен выбор оптимальной конструкции элементарной ячейки (дискретный фотодиод) кремниевого фотодиода фотовольтаического применения.
    • Показано, что для производства фотодиодов с высокой чувствительностью необходимо использовать технологические процессы, при которых глубина p-n перехода будет достаточна малой. Это позволит довольно ощутимо уменьшить ширину, так называемого, мертвого приповерхностного слоя.
    • Показано, что оптимальная толщина защитного термического окисла, выращиваемого перед процессами имплантации, — 25 нм. Данная толщина вкупе с низкой энергией имплантации позволяет добиться достаточно малых p-n переходов. Для 50 нанометрового окисла низкой энергии недостаточно, чтобы пробить весь диэлектрический слой, а глубина залегания p-n перехода при имплантации примеси с энергиями 60 и 100 кэВ оказывается достаточно большой.
    • Показано, что наибольшей пиковой чувствительностью обладают сетчатые диоды, изготовленные на подложке p-типа. Увеличение тока в цепи приемника достигается за счет увеличения чувствительности в синей области спектра, а сама чувствительность возрастает благодаря более быстрому сбору неосновных носителей заряда — электронов, обладающих большей подвижностью.
  • Разработаны лабораторные технологический регламент изготовления элементарной ячейки (дискретный фотодиод) в случае применения исходного материала с удельным сопротивлением 150 и 20 Ом∙см.
  • Разработаны топологические чертежи тестовых образцов тестовых образцов элементарной ячейки (дискретный фотодиод).
  • Разработана эскизная конструкторская документации на стенд для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
  • Изготовлен стенд для измерения параметров кремниевых фотодиодов фотовольтаического применения.
  • Проведена закупка оборудования для проведения исследований.
  • Проведен выбор технологических процессов и расчет режимов их проведения для обеспечения их изготовления.
  • Результаты работ представлены на мероприятиях направленных на популяризацию ПНИ.

Сведения о ходе выполнения исследований (проекта) размещены в открытом доступе, на официальном сайте НИТУ «МИСиС».

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»