Grupa 5

Syntetyczny opis
wyników realizacji zadań wPBZ-MIN-009/T11/2003 pt. „Elementy i moduły
optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie
środowiska i technice wojskowej"
Grupa 5 Moduły detektorów promieniowania podczerwonego
Zadanie 5.1. Opracowanie i wykonanie nie chłodzonych i minimalnie chłodzonych
detektorów średniej i dalekiej podczerwieni nowej generacji:
- Detektory do spektroskopii Fouriera zakresu 3-16 µm
- Detektory do szerokopasmowej (1 Gb/s) łączności optycznej w otwartej przestrzeni z użyciem
laserów falowodowych CO 2
Przedmiotem projektu były zagadnienia związane z technologią wzrostu złożonych
heterostruktur HgCdTe metodą MOCVD dla niechłodzonych detektorów średniej i dalekiej
podczerwieni, oraz z technologią tych detektorów. Projekt stanowi kontynuację polskich tradycji
badań w dziedzinie półprzewodników o małej szerokości przerwy zabronionej i ich zastosowań w
optoelektronice.
Podstawowym celem projektu było opracowanie technologii detektorów;
• do spektroskopii Fouriera zakresu 3–16 µm,
• do szerokopasmowej (1Gb/s) łączności optycznej w otwartej przestrzeni z użyciem
laserów falowodowych CO 2 .
W ramach zadania zostało wykonane po 10 sztuk detektorów szerokopasmowych, oraz detektorów
fourierowskich, w postaci demonstratorów rozumianych jako detektory zmontowane w odpowiednich
obudowach z trójstopniowymi chłodziarkami termoelektrycznymi.
Zgodnie z zapisem zawartym w ofercie, cele końcowe zadania można uważać za zrealizowane,
jeżeli na wybranych modułach testowych (demonstratorach) w ilości 10 sztuk zostaną uzyskane
docelowe parametry, dla detektora fourierowskiego z immersją optyczną pracującego na
trójstopniowej chłodziarce termoelektrycznej (3TE) przy λ = 5 (11) µm, D* ≈ 1×1011 (1×1010)
cmHz1/2/W, a dla detektora szerokopasmowego z immersją optyczną pracującego na 3TE przy
λ = 10.6 µm, D* ≈ 1010 cmHz1/2/W i f gr ≈ 1 (GHz). Parametry te zostały osiągnięte. W wyniku
przeprowadzonych prac zrealizowano wszystkie zaplanowane zadania badawcze.
Ponieważ projekt ten rozpoczął się niemal równocześnie z chwilą uruchomienia pierwszego w
naszym kraju laboratorium MOCVD dla HgCdTe, w którym był realizowany, wymagało to
samodzielnego rozwiązania wielu problemów. Zagadnienia sterowania orientacją krystalograficzną
warstw CdTe i HgCdTe, morfologią warstw, powtarzalnością składu i efektywnym domieszkowaniem
są w dużym stopniu uzależnione od konstrukcji reaktora, niemożliwe więc było bezpośrednie
wdrażanie rozwiązań literaturowych i wszystkie badania musiały być prowadzone od podstaw.
Przeprowadzono badania nad wszystkimi stadiami wzrostu heterostruktur HgCdTe: nukleacją,
wzrostem buforowych warstw CdTe, wzrostem warstw HgCdTe o różnych składach oraz końcową
obróbką termiczną. W wyniku prowadzonych badań opracowano wiele nowych technologii i
rozwiązań konstrukcyjnych.
Do najważniejszych wyników osiągniętych w trakcie realizacji zadania należy zaliczyć:
• Opracowanie metod formowania warstw buforowych CdTe o orientacji (111) i (100) na
podłożu GaAs o orientacji (100), oraz warstwy buforowej CdTe o orientacji (211) na GaAs o
orientacji (211) w technologii MOCVD.
• Określenie zależności właściwości warstw HgCdTe od orientacji podłoża, temperatury
wzrostu, ciśnienia par rtęci, rodzaju i stężeń prekursorów, ciśnienia i szybkości przepływu
nośnika, parametrów charakteryzujących poszczególne fazy IMP (Interdiffused Multilayer
Process), warunków końcowej obróbki termicznej.
• Opracowanie metody zapobiegającej degradacji przypowierzchniowego obszaru
heterostruktury w czasie chłodzenia powzrostowego.
• Zaproponowanie i realizację koncepcji zaleczania luk w podsieci metalu poprzez okresową
obróbkę powierzchni rosnącej warstwy w atmosferze bogatej w kadm. Warstwy otrzymywane
w ten sposób charakteryzują się koncentracją luk daleko niższą od równowagowej
koncentracji w warunkach wzrostu. Pozwala to na rezygnację z kłopotliwej powzrostowej
obróbki końcowej warstw w parach rtęci. Metoda ta została zastosowana w produkcji
umożliwiając dwukrotne skrócenie czasu i znaczne zmniejszenie kosztu wytwarzania
bazowych materiałów do produkcji detektorów.
• Opracowanie metod domieszkowania in-situ warstw HgCdTe o orientacji (111) i (211)
odpowiednio arsenem na typ p, oraz jodem na typ n w technologii MOCVD.
• Wykonanie pomiarów rzeczywistych przebiegów stężeń metaloorganik w obszarze podłoża,
na którym rośnie warstwa HgCdTe, z wykorzystaniem opracowanego we własnym zakresie
układu pomiarowego.
• Opracowanie technologii (receptur wytwarzania) heterostruktur o złożonym profilu składu i
domieszkowania dla różnych fotodiod, a w szczególności wprowadzenie warstw
ułatwiających otrzymanie niskooporowych kontaktów.
• Opracowanie technologii pasywowanej immersyjnej fotodiody z kontaktami krawędziowymi.
• Adaptacja i udoskonalenie monolitycznej mikrooptyki immersyjnej detektora wykonanej z
podłoża GaAs.
Uzyskane rezultaty były na bieżąco wdrażane do produkcji w VIGO System S.A. Najważniejsze z
nich to:
• Wdrożenie do praktyki produkcyjnej technologii MOCVD w wyniku czego w 2006 roku
całkowicie zrezygnowano z technologii ISOVPE.
• Wdrożenie do produkcji technologii fotodiod chłodzonych termoelektrycznie
optymalizowanych na 10,6 µm.
Dzięki tym wdrożeniom do oferty VIGO System S.A. zostały wprowadzone nowe klasy detektorów
PV-2TE-10.6, PVI-2TE-10.6, oraz PVI-3TE-10.6, a parametry wielu już istniejących zostały
podniesione (www.vigo.com.pl).
Do osiągnięć związanych z realizacją projektu należy zaliczyć także:
• Napisanie i obronę przez jednego z wykonawców zadania rozprawy doktorskiej pt: „Wpływ
domieszkowania na właściwości warstw epitaksjalnych z HgCdTe”, której rozdział 4
• Napisanie przez jednego z głównych wykonawców zadania rozprawy doktorskiej pt:
„Otrzymywanie metodą MOCVD heterostruktur Hg 1-x Cd x Te stosowanych w niechłodzonych
detektorach podczerwieni”.
W ramach prac przy realizacji projektu zostało opublikowanych dziewięć prac i książka „HighOperating-Temperature Infrared Photodetectors”, będąca pierwszą monografią na temat detektorów
długofalowego promieniowania podczerwonego pracujących bez chłodzenia kriogenicznego. W
książce tej umieszczono niektóre rezultaty osiągnięte w ramach tego projektu.
Należy także wskazać na konieczność dalszych badań nad technologią MOCVD. Najważniejsze z
nich to:
• Dalsza optymalizacja procedur wzrostu heterostruktur. Wskazane jest opracowanie metod
precyzyjniejszego sterowania zmianami stężeń prekursorów w strefie wzrostu.
• Znalezienie metod dalszego poprawienia morfologii warstw CdTe o orientacji (211)B i warstw
HgCdTe o orientacji (111)B.
• Znalezienie metody radykalnego obniżenia gęstości wzgórków wzrostu na warstwach o
orientacji (100).
• Znalezienie metod zwiększenia maksymalnej koncentracji domieszek w szerokoprzerwowym
(x > 0.35) Hg 1-x Cd x Te.
Realizacja zadań przewidzianych w ramach projektu dobitnie uzmysłowiła także wagę
nierozwiązanego w pełni jeszcze problemu, jakim jest pasywacja detektorów podczerwieni opartych
na heterostrukturach z HgCdTe. Problemu nie przewidzianego co prawda do rozwiązania w ramach
tego projektu, ale warunkującego długoczasową stabilność parametrów i niezawodność pracy
przyrządów fotoelektrycznych z HgCdTe, zwłaszcza o tak wysokich parametrach jak uzyskiwanych w
ramach tego projektu. Prace nad pasywacją są obecnie bardzo intensywnie prowadzone i najnowsze
pozytywne wyniki już uzyskane pozwalają oczekiwać, że problem ten zostanie wkrótce rozwiązany.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 5.2. Opracowanie i wykonanie nie chłodzonych detektorów na zakres 1.5 – 2,1 µm.
W zadaniu nr 5.2 Projektu Zamawianego opracowano pierwsze fotodiody o konstrukcji planarnej wykonane na bazie InGaAs/InP, pierwsze fotodiody z naprężonymi studniami z In x Ga 1-x As
(0,73 ≤ x ≤ 0,83) i pierwsze fotodiody wykorzystujące wnękę rezonansową do zwiększenia czułości
fotoelektrycznej. Wytworzenie takich przyrządów wymagało opracowania szeregu procesów
technologicznych i sprawdzenia nowych rozwiązań konstrukcyjnych.
Opracowano technologię wytwarzania planarnej diody z InP, co wiązało się przede wszystkim z
opracowaniem procesów dyfuzji cynku do InP i procesów wytwarzania na powierzchni InP warstw
azotku krzemu, które mogłyby spełniać rolę maski w procesach selektywnej dyfuzji cynku i
jednocześnie warstwy pasywującej złącze p-n. Zadanie zostało wykonane bardzo dobrze. W sposób
powtarzalny możliwe jest wykonywanie planarnych diod z InP o prądzie wstecznym wynoszącym 10
pA przy napięciu –5 V i 300 pA przy napięciu –50 V i o napięciu przebicia większym od 50 V. Są to
parametry znacznie lepsze od założonych. Charakterystyki diod są stabilne. Technologia planarnej
diody z InP została następnie wykorzystana przy wytwarzaniu wszystkich fotodiod opracowywanych
w niniejszym projekcie.
Opracowano technologię osadzania metodą MOCVD na podłożu z fosforku indu
pseudomorficznych, silnie naprężonych studni kwantowych z In x Ga 1-x As o zawartości indu
dochodzącej do x = 0,83 i grubości bliskiej grubości krytycznej, otoczonych barierami z
In 0,53 Ga 0,47 As. W wykonanych heterostrukturach warstwy In x Ga 1-x As (0,73 ≤ x ≤ 0,83), zarówno w
pojedynczej jak i w podwójnej studni kwantowej, charakteryzują się dobrą strukturą krystaliczną i
silnym sygnałem fotoluminescencji (PL) w temperaturze pokojowej. Maksimum PL dla studni
kwantowych z In 0,83 Ga 0,18 As dochodzi aż do λ = 2,09 μm. Opracowane studnie kwantowe mogą być
zastosowane jako warstwy absorpcyjne w fotodiodach RCE wykrywających promieniowanie z
zakresu 1,8 ÷ 2,06 μm.
Dobrano warunki osadzania metodą MOCVD dolnych luster Bragga i metodą rozpylania
katodowego z wykorzystaniem fotolitografii lift-off górnych luster Bragga.
Przygotowano układ pomiarowy do pomiarów fotoelektrycznych w zakresie długości fal 1÷2,5
μm, umożliwiający charakteryzację zarówno struktur fotodiodowych na płytkach jak i fotodiod
zmontowanych w obudowach.
Opracowano pełny cykl procesów technologicznych, wzajemnie do siebie pasujących i
umożliwiających wykonanie planarnych fotodiod p-i-n z InGaAs/InP. Wykonano planarne fotodiody
p-i-n na pasmo 1,5 μm z grubą warstwą absorpcyjną z In 0,53 Ga 0,47 As. Fotodiody charakteryzują się
czułością fotoelektryczną przekraczającą 0,8 A/W dla λ = 1,5 μm, prądem ciemnym około 1 nA przy
napięciu –5 V i wykrywalnością D* = 1,4·1012 cm·Hz1/2/W. Są to parametry lepsze od założonych.
Zaprojektowano i wykonano heterostruktury fotodiod RCE (Resonant Cavity Enhanced
photodiode) na pasmo 1,8 μm 1,9 μm i 1,94 μm, w których zastosowano naprężone studnie kwantowe
z In 0,75 Ga 0,25 As jako warstwy absorpcyjne. Ustalono metody charakteryzacji heterostruktur RCE
umożliwiające ich ocenę przed wykonaniem fotodiod. Wykorzystując opracowaną technologię
planarną wykonano planarne fotodiody RCE. Przy projektowaniu fotodiod korzystano z programów
komputerowych wykonanych w ITME. Stwierdzono bardzo dobrą zgodność charakterystyk
pomierzonych dla heterostruktur, a następnie dla fotodiod, z charakterystykami obliczonymi.
Fotodiody charakteryzują się wyjątkowo niskim prądem ciemnym, około 70 pA przy napięciu –2 V,
czułością w odpowiednim paśmie około 0,3 A/W przy napięciu -2 V i dużą wykrywalnością D* =
1,7·1012 cmHz1/2/W. Są to parametry lepsze od założonych.
Zaprojektowano i wykonano heterostruktury fotodiod RCE na pasmo 2,06 μm, w których
zastosowano naprężone studnie kwantowe z In 0,83 Ga 0,17 As jako warstwy absorpcyjne. Badania tych
heterostruktur wykazały ich pełną przydatność do wykonania fotodiod. Uzyskano silne wzmocnienie
sygnału przez wnękę rezonansową w paśmie 2,06 μm, stwierdzono niski poziom centrów
generacyjno-rekombinacyjnych. Choć do momentu zakończenia Projektu nie udało się dokończyć
wszystkich procesów technologicznych, najtrudniejsze procesy, decydujące o właściwościach fotodiod
zostały wykonane pomyślnie. Szacunkowe pomiary wskazują, że fotodiody będą miały małe prądy
ciemne, poniżej 0,5 nA i czułość około 0,2 A/W. Można więc spodziewać się, że fotodiody osiągną
założone parametry. Wykonanie zadania dotyczącego fotodiod RCE na pasmo 2,06 μm opóźniało się
od początku jego realizacji ze względu na liczne awarie urządzenia AIX 200 do epitaksji MOCVD.
Opóźnienie pogłębiło się jeszcze przez brak arsenowodoru przez dwa miesiące pierwszego półrocza
2007 roku. Było to przyczyną przedłużenia zadania o 6 miesięcy w stosunku do pierwotnego planu.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe