Дисертація присвячена розробці вдосконаленого германієвого p-i-n фотоприймача для сучасних лазерних далекомірів та сенсорно-вимірювальних приладів на довжину хвилі 1,54 мкм, що більш безпечно для ока людини в порівнянні з 1,06 мкм, яка використовується в сучасних далекомірах. Розроблена конструкція та технологія виготовлення надійного, швидкодіючого і високочутливого Ge p-i-n фотодіоду, яка захищена патентом України на винахід та експериментально показано перспективи його застосування.
Актуальною проблемою існуючих германієвих p-i-n-фотодіодів яку потрібно вирішити є низька надійність та їх висока деградація з часом. Ця проблема пов’язана з використовуванням в якості пасивуючих шарів - SiO2, Si3N4, ZrO2, або фіаніту, постійна решітка та коефіцієнт термічного розширення яких, значно відрізняється від Ge, в результаті чого утворюється велика кількість дислокацій та дефектів. В роботі була запропонована ідея підвищення надійності Ge p-i-n фотодіоду, за рахунок застосування в якості пасивуючого покриття селеніду цинку (ZnSe). Цей матеріал має коефіцієнт термічного розширення, який становить 6,1х10-6 К-1, максимально наближеного до відповідного показника для германію - 7,1х10-6 К-1. Зменшення поверхневих струмів досягається за рахунок великої забороненої зони 2,7 еВ ZnSe, в порівнянні з власним Ge 0.67 еВ. ZnSe має високу прозорість в ІЧ-діапазоні випромінювання, тому його можна наносити як на фронтальну поверхню фотоприймача, так і на бічну поверхню для захисту p-n переходу. В роботі експериментально доведено, що пасивація поверхні Ge p-i-n фотодіода ZnSe дозволила досягти поліпшення його характеристик і надійності.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
1. Вперше запропоновано для захисту мезаструктури Ge фотоприймача нове пасивуюче покриття - полікристалічний шар ZnSe, який на відміну від існуючих покриттів забезпечує: високе узгодження кристалічних граток (99,8%) та коефіцієнту лінійного термічного розширення (~7·10–6 град–1 для ZnSe та ~6·10–6 град–1 для Ge). Ці переваги дозволяють зменшити рівень механічних напружень поверхневого шару та пов’язанні з цим концентрацію дислокації та дефектів, що забезпечило відсутність деградації фотодіоду протягом 3х років з моменту виготовлення 2018 р. до 2021р.
2. Проведено моделювання та теоретичні розрахунки енергетичної структури розробленого Ge p-i-n фотодіоду та його спектральної чутливості. Результати моделювання були підтвердженні вимірюваннями на експериментальних зразках з похибкою ±0,01 А/Вт. Дослідження підтвердили можливість застосування теоретичної моделі для досягнення необхідної зонної структури фотодіоду та оптимізації його конструкції.
3. Вперше встановлено вплив фазового складу ZnSe/Ge на електроопір пасивуючого шару ZnSe. Для цього було розроблено методику вимірювання електричного опору високоомних тонких плівок з використанням еластичних контактів, яка має такі переваги в порівнянні з чотирьохзондовим методом: малий тиск на поверхню напівпровідника, велика площа контактної зони і як наслідок при вимірюваннях високоомних поверхневих шарів забезпечується мала густина струму та відсутність нагріву.
Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:
1. Вперше розроблено вдосконалений високонадійний Ge p-i-n фотодіод, який володіє параметрами необхідними для фотоприймачів в складі імпульсного лазерного далекоміра та має час релаксації 5,8 10-8 с і чутливість на λmax=1,54 мкм 0,45 А/Вт. Науково технічне рішення захищено патентом України на винахід.
2. Експериментально доведено перспективність вдосконаленого Ge p-i-n фотодіоду в складі макету імпульсного лазерного далекоміра. Такий фотодіод має достатню швидкодію для надійного реєстрування коротких імпульсів порядку 20 нс. Сумарний коефіцієнт пропускання світлофільтрів, які послаблювали імпульс лазеру (Eвих = 578 мкДж) становив kф1-4= 0,000437, що на порядок більше, ніж теоретично розрахований коефіцієнт пропускання при вимірювані відстані 5 км (kатм= 0,0038) та відповідає технічним вимогам до фотодіоду в складі імпульсного лазерного далекоміру.
3. Показано перспективність застосування розробленого Ge p-i-n фотодіоду у складі макету приладу на основі явища поверхневого плазмонного резонансу, що працює в ближньому інфрачервоному діапазоні спектру. Результати дослідження підтвердили перспективність застосування розробленого Ge p-i-n фотодіоду у складі вимірювального приладу на основі явища поверхневого плазмонного резонансу.
Результати досліджень, проведених в роботі, є перспективними для застосування у промисловості та в науковій діяльності. Результати досліджень підтверджені відповідними актами впровадження Інститут монокристалів НАН України та Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.
