Фундаментальные основы создания многорежимных тепловизионных сенсоров, реализующих методы комплексирования информации, для автономных технических комплексов

В отчете представлены результаты исследований, выполненных в рамках 1 этапа проекта FZRR-2023-0009: «Фундаментальные основы создания многорежимных тепловизионных сенсоров, реализующих методы комплексирования информации, для автономных технических комплексов», выполняемых в рамках государственного задания вузам. На данном этапе были разработаны устройства измерения вольт-амперных характеристик (основанные на масштабирующем усилителе, переключении резисторов для смены диапазонов измерения, на измерении напряжения на емкостных накопителях) для структур, входящих в состав болометрических матриц. Была представлена физико-математическая модель вольт-амперной характеристики светодиодных структур с квантовыми ямами на основе модернизированной модели механизма рекомбинации Саа-Нойса-Шокли. В представленной модели квантовые ямы представляются дискретно распределенными в области пространственного заряда центрами излучательной рекомбинации с единичным сечением захвата. Модернизированная модель проверена в сравнении с экспериментальными ВАХ конкретных образцов с использованием экспериментально определенных параметров легирования активной области, полученных по профилю распределения легирующей примеси. Было рассмотрено также поведение многослойных тонкопленочных систем с диэлектрическими подслоями оксида и нитрида кремния при наличии поверхностных тепловых источников. Из анализа тепловых процессов в многослойных тонкопленочных системах на кремнии были определены допустимые электротепловые нагрузки при которых в системе не наблюдалось деградационных процессов. На основании проведенных экспериментов по нагреву структур токовыми импульсами предложена методика определения коэффициента теплопроводности тонких диэлектрических пленок (толщиной до 0.3 мкм). Были рассмотрены процессы тепловой деградации тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность тонкопленочных систем. Экспериментально определены «критические» электротепловые нагрузки, при которых начинается деградация в системе. Деградационные механизмы связаны с фазовыми переходами в пленке металла и на межфазных границах. Отмечено различие деградационных процессов в структурах типа металл-полупроводник и металл-диэлектрическая пленка-полупроводник. Проведенные исследования показали возможность создания ячейки тепловой памяти на основе поверхностного локального теплового источника в виде системы металлизации на кремнии. Кроме того, по результатам моделирования структур (методом конечных элементов) с несколькими локальными тепловыми источниками были выявлены особенности распространения тепла. На основании полученных результатов были предложены способы тепловой изоляции источников. Все запланированные по проекту работы выполнены: 1. Проведен анализ различных конструктивных решений и материалов фоточувствительных элементов микроболометров, а также способов их закреплений к подложке при различных мощностях падающего ИК излучения (с длиной волны 8-14 мкм). 2. Выполнена разработка диагностических стендов и методик для диагностики полупроводниковых структур и исследования чувствительности оптоэлектронных устройств, в том числе с учетом электротепловых и механических «перегрузок». Выполнена аппаратная реализация установки измерения вольт-амперных характеристик структур на масштабирующем усилителе с измерителем освещенности; установки для измерения ВАХ полупроводниковых структур на ёмкостных накопителях заряда; установки измерения температуры металлургической границы p-n перехода; а также измеритель профиля легирования полупроводниковых структур. Проведена экспериментальная проверка работоспособности установок на p-n переходах. в том числе светодиодных структурах с квантовыми ямами. Проведены исследования деградационных процессов (методами электронной, атомно-силовой микроскопии, электрическими и оптическими измерениями) рассматриваемых структур в режимах термоциклирования (не менее 1000 циклов), тепловых и механических ударов. 3. Проведено изучение воздействие токовых импульсов на системы Al пленка-Si пластина, Al-SiO2(Si3N4) -Si. Зафиксировано, что наличии тонких диэлектрических слоев увеличивает температурные перегрузки на систему. Определены «критические» значения токовых импульсов при которых начинается деградация в системе. Изучение деградации проведено методами электронной, оптической, АСМ микроскопии, а также электрическими методами измерений. Результатами исследований установлено, что основные механизмы деградации связаны с плавлением системы металлизации и контактным плавлением на границе металл-полупроводник (в случае системы Al-Si). Проведенные исследования показали также возможность создания ячейки тепловой памяти на основе поверхностного локального теплового источника в виде системы металлизации на кремнии. 4. Построены 3D модели фоточувствительной мембраны и проведено моделирование её напряженно-деформируемого состояния. Определены температурные поля и деформации, возникающие в мембране при различных электротепловых нагрузках. Проведено сравнение полученных результатов с результатами, полученными независимыми исследовательскими группами авторов. 5. Опубликовано 5 статей в журналах, индексируемых в БД Scopus и WoS. 6. Участие в 6-х международных конференциях по тематике проекта. 7. Подготовлена кандидатская диссертация м.н.с Лукьяновым М.Н. 8. Подготовлен итоговый отчет.