ОТЧЕТ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ №02-12-34 по теме «Встроенные Электронные Решения для Инновационных Сканирующих Устройств Диагностики Полимеров на Основе Источников Излучения» (Этап 2: Разработка средневолновых ИК монолитно интегрированных датчиков МНПВО на основе свето- и фотодиодов)

Ключевые слова НАРУШЕННОЕ ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ, ДАТЧИК НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ, НПВО, ДАТЧИК ИСЧЕЗАЮЩЕЙ ВОЛНЫ, ФОТОДИОДЫ 3-5 МКМ, СВЕТОДИОД 3-5 МКМ, ФОТОПРИЕМНИК НА ОСНОВЕ INAS, СВЕТОДИОД НА ОСНОВЕ INAS, ФОТОДИОД НА ОСНОВЕ INASSB, СВЕТОДИОД НА ОСНОВЕ INASSB Цель проекта Создание нового поколения портативных оптоэлектронных анализаторов старения пластика на основе датчика исчезающей волны для работы на атомных электростанциях. Задачи проекта Проект посвящен разработке ключевых технологических компонентов и подходов, обеспечивающих возможность создания оптоэлектронного анализатора старения пластика на основе датчика нарушенного полного внутреннего отражения для быстродействующей, бесконтактной диагностики состояния пластика. Задачи данного этапа проекта Разработку и создание портативного оптоэлектронного анализатора старения пластика проводит консорциум компаний, в котором участвуют Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН и иностранные партнеры, представленные организациями и компаниями: SORBONNE UNIVERSITE (SU, Франция), ELECTRICITE DE FRANCE (EDF, Франция), UNIVERSITAT JAUME I DECASTELLON (UJI, Испания), COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES (CEA, Франция), FORSCHUNGSZENTRUM JULICH GMBHFhG (FZJ, Германия), FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. (IZFP, Германия), MIRSENSE (MIRS, Франция, ARTTIC (Франция). В число задач иностранных партнеров входят: - Тестирование свойств материалов при разрушающем воздействии; - Определение формата для передачи данных - Разработка конструкции оптической системы анализатора на основе ККЛ - Разработка электронных компонентов анализатора диагностики полимеров - Исследование деградации полимеров - Экспериментальная проверка работоспособности интерфейса робот – человек в условиях радиоактивной обстановки - Исследование и анализ деградации составных частей анализатора - Тестирование и анализ данных о свойствах материалов при разрушающем воздействии, полученных разными методами - Разработка прототипа оптоэлектронного анализатора диагностики полимеров В число задач участника проекта с Российской стороны входят: - Разработка конструкции датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP; - Изготовление датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP; - Исследование характеристик компонентов и датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs/InAsSbP с рабочей длиной волны 3.4, 4.2, 4.7 мкм; - Исследование тепловых процессов в датчике нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP в широком интервале температур, длин волн и токов накачки; - Разработка конструкции датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP; - Изготовление датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP; - Исследование характеристик компонентов и датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs/InAsSbP с рабочей длиной волны 3.4, 4.2, 4.7 мкм; - Исследование тепловых процессов в датчике нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP в широком интервале температур, длин волн и токов накачки; Место и роль работ отчетного этапа в выполнении проекта Выполнение перечисленных выше работ приведет к разработке и созданию экспериментального образца датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением либо «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP, работающими в диапазоне длин волн 3.4-4.7 мкм, а также позволит получить основные характеристики используемых компонентов, что даст возможность проведения моделирования характеристик самого датчика НПВО и обеспечит возможность разработки портативного оптоэлектронного анализаторов старения пластика на основе датчика исчезающей волны. Полученные результаты. Разработана конструкция датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb). Разработана ЭКД «ЭКД «Датчика НПВО с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb)». Изготовлены датчики нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb). Исследование характеристик компонентов и датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs/InAsSbP с рабочей длиной волны около 3.4, 4.2 и 4.7 мкм. Выполнено исследование тепловых процессов в датчике нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP. Показано, что для выбранной геометрии чипов, почти вся подаваемая на p-n переход электрическая мощность переходит в «Оже-мощность». Разработана конструкция датчика нарушенного полного внутреннего отражения «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb) Разработана ЭКД «ЭКД Датчика НПВО «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb)». Изготовлены датчики нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb) с рабочими длинами волн 3.4, 4.2 и 4.7 мкм. Исследованы характеристики компонентов и датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip » геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs с рабочей длиной волны 3.4, 4.2, 4.7 мкм. Выполнено исследование тепловых процессов в датчике нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP. Показано, что разогрев светодиодов определяется как Джоулевым разогревом, так и разогревом за счет безызлучательной Оже-рекомбинации. При этом, для определения доминирующего механизма, необходимо проводить оценки внутреннего квантового выхода, величины последовательного сопротивления того или иного СД и учитывать геометрические особенности СД, включая сопротивление его отдельных частей, таких, как анод и катод. Иностранными партнерами, достигнуты запланированные промежуточные результаты, в том числе: выполнено тестирование свойств материалов при разрушающем воздействии и определены измеряемые характеристики, характеризующие деградацию материалов; выбран формат для передачи данных (определены ключевые параметры для характеризации электронного компонента); разработана конструкция оптической системы анализатора на основе ККЛ; разработаны электронные компоненты анализатора; выполнено исследование деградации полимеров и получены данные о скорости их деградации; проведена проверка работоспособности интерфейса робот – человек в условиях радиоактивной обстановки; получены данные о деградации составных частей анализатора при внешних воздействиях; выполнен сравнительный анализ данных о свойствах материалов при разрушающем воздействии, полученных разными методами; изготовлен прототип оптоэлектронного анализатора (головки датчиков) диагностики полимеров. Результаты, изложенные в отчете, опубликованы в статьях (со ссылкой на поддержку в рамках данного проекта): 1. N. Dyakonova, S. A. Karandashev, M. E. Levinshtein, B. A. Matveev, M. A. Remennyi, «Low frequency noise in p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP and p-InAsSbP/n-InAsSbP mid-IR light emitting diodes», Infrared Physics and Technology, Volume 125, September 2022, 104301; https://doi.org/10.1016/j.infrared.2022.104301. 2. С.А. Карандашев, А.А. Климов, Т.С. Лухмырина, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, А.А. Усикова, «Микрооптопара ( = 3.4 μm) на основе двойной гетероструктуры InAsSbP/InAs для измерения концентрации этанола в водном растворе методом МНПВО», Оптика и спектроскопия, 2022, том 130, вып. 8, 1223-1228; DOI: 10.21883/OS.2022.08.52909.3236-22 3. S.A. Karandashev, T.S. Lukhmyrina, B.A. Matveev, M.A. Remennyi, and A.A. Usikova, "P‐InAsSbP/n‐InAs double heterostructure as an on‐chip mid‐IR evanescent wave sensor of liquids", Physica Status Solidi (A) Applications and Materials. V.219, Issue 2, 2100456 (1-7) (2022). DOI: 10.1002/pssa.202100456, Предложенные решения по конструированию датчика характеризуются научно-технической новизной и не имеют существующих аналогов, работающих в выбранной спектральной области. Разработанные датчики могут быть использованы для разработки портативных анализаторов химического состава вещества в других областей промышленности, где необходимо проведение быстродействующего анализа состояния вещества методами неразрушающего контроля. В ходе выполнения данного этапа проекта получены следующие результаты: Разработана конструкция датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb). Разработана ЭКД «ЭКД «Датчика НПВО с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb)». Изготовлены датчики нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb). Исследование характеристик компонентов и датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs/InAsSbP с рабочей длиной волны около 3.4, 4.2 и 4.7 мкм. Выполнено исследование тепловых процессов в датчике нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции с иммерсионным сопряжением с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP. Показано, что для выбранной геометрии чипов, почти вся подаваемая на p-n переход электрическая мощность переходит в «Оже-мощность». Разработана конструкция датчика нарушенного полного внутреннего отражения «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb) Разработана ЭКД «ЭКД Датчика НПВО «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb)». Изготовлены датчики нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb) с рабочими длинами волн 3.4, 4.2 и 4.7 мкм. Исследованы характеристики компонентов и датчика нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip » геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетероструктур InAsSbP/InAs с рабочей длиной волны 3.4, 4.2, 4.7 мкм. Выполнено исследование тепловых процессов в датчике нарушенного полного внутреннего отражения монолитной конструкции «on-chip» геометрии с источником и приемником излучения на основе средневолновых свето- и фотодиодов из гетроструктур InAs(Sb)/InAsSbP. Показано, что разогрев светодиодов определяется как Джоулевым разогревом, так и разогревом за счет безызлучательной Оже-рекомбинации. При этом, для определения доминирующего механизма, необходимо проводить оценки внутреннего квантового выхода, величины последовательного сопротивления того или иного СД и учитывать геометрические особенности СД, включая сопротивление его отдельных частей, таких, как анод и катод. Иностранными партнерами, достигнуты запланированные промежуточные результаты, в том числе: выполнено тестирование свойств материалов при разрушающем воздействии и определены измеряемые характеристики, характеризующие деградацию материалов; выбран формат для передачи данных (определены ключевые параметры для характеризации электронного компонента); разработана конструкция оптической системы анализатора на основе ККЛ; разработаны электронные компоненты анализатора; выполнено исследование деградации полимеров и получены данные о скорости их деградации; проведена проверка работоспособности интерфейса робот – человек в условиях радиоактивной обстановки; получены данные о деградации составных частей анализатора при внешних воздействиях; выполнен сравнительный анализ данных о свойствах материалов при разрушающем воздействии, полученных разными методами; изготовлен прототип оптоэлектронного анализатора (головки датчиков) диагностики полимеров. Результаты, изложенные в отчете, опубликованы в статьях (со ссылкой на поддержку в рамках данного проекта): 1. N. Dyakonova, S. A. Karandashev, M. E. Levinshtein, B. A. Matveev , M. A. Remennyi, «Low frequency noise in p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP and p-InAsSbP/n-InAsSbP mid-IR light emitting diodes», Infrared Physics and Technology, Volume 125, September 2022, 104301; https://doi.org/10.1016/j.infrared.2022.104301. 2. С.А. Карандашев, А.А. Климов, Т.С. Лухмырина, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, А.А. Усикова, «Микрооптопара (Lambda = 3.4 μm) на основе двойной гетероструктуры InAsSbP/InAs для измерения концентрации этанола в водном растворе методом МНПВО», Оптика и спектроскопия, 2022, том 130, вып. 8, 1223-1228; DOI: 10.21883/OS.2022.08.52909.3236-22 3. S.A. Karandashev, T.S. Lukhmyrina, B.A. Matveev, M.A. Remennyi, and A.A. Usikova, "P‐InAsSbP/n‐InAs double heterostructure as an on‐chip mid‐IR evanescent wave sensor of liquids", Physica Status Solidi (A) Applications and Materials. V.219, Issue 2, 2100456 (1-7) (2022). DOI: 10.1002/pssa.202100456, Предложенные решения по конструированию датчика характеризуются научно-технической новизной и не имеют существующих аналогов, работающих в выбранной спектральной области. Разработанные датчики могут быть использованы для разработки портативных анализаторов химического состава вещества в других областей промышленности, где необходимо проведение быстродействующего анализа состояния вещества методами неразрушающего контроля. Результаты работ размещены на сайте Получателя гранта: http://www.ioffe.ru (раздел «Проекты Минобрнауки» (https://ioffe.ru/ru/nauka/proekty-minobrnauki/))