eng
Выпуск #8/2023
А. В. Наумов, А. В. Полесских, А. С. Башкатов
Как рождаются дорожные карты: обзор материалов Форума «Микроэлектроника 2023»
Как рождаются дорожные карты: обзор материалов Форума «Микроэлектроника 2023»
Просмотры: 649
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.8.598.606
Форум «Микроэлектроника‑2023» состоялся с 9 по 14 октября 2023 года на федеральной территории «Сириус» в г. Сочи. На конференции были представлены 869 научных докладов. Общее количество участников форума составило 2 500 человек. В настоящем обзоре представлены доклады, заслушанные на форуме «Микроэлектроника» в рамках работы секции № 12 «Технологии оптоэлектроники и фотоники» в подсекции 12.1 «Опто- и фотоэлектроника».
Форум «Микроэлектроника‑2023» состоялся с 9 по 14 октября 2023 года на федеральной территории «Сириус» в г. Сочи. На конференции были представлены 869 научных докладов. Общее количество участников форума составило 2 500 человек. В настоящем обзоре представлены доклады, заслушанные на форуме «Микроэлектроника» в рамках работы секции № 12 «Технологии оптоэлектроники и фотоники» в подсекции 12.1 «Опто- и фотоэлектроника».
Теги: focal plane array optoelectronics and photonics матричные фотоприемные устройства оптоэлектроника фотоника
Как рождаются дорожные карты: обзор материалов форума «Микроэлектроника‑2023»
А. В. Наумов 1, А. В. Полесских 2, А. С. Башкатов 3
АО «ОКБ «Астрон», г. Лыткарино, Моск. обл., Россия
ГНЦ РФ АО «НПО «Орион», Москва, Россия
ФГБУ ВНИИР, Мытищи, Моск. обл. Россия
Форум «Микроэлектроника‑2023» состоялся с 9 по 14 октября 2023 года на федеральной территории «Сириус» в г. Сочи. На конференции были представлены 869 научных докладов. Общее количество участников форума составило 2 500 человек. В настоящем обзоре представлены доклады, заслушанные на форуме «Микроэлектроника» в рамках работы секции № 12 «Технологии оптоэлектроники и фотоники» в подсекции 12.1 «Опто- и фотоэлектроника».
Ключевые слова: оптоэлектроника, фотоника, матричные фотоприемные устройства
Статья поступила: 27.10.2023
Статья принята: 30.11.2023
Введение
Тематика докладов охватывала широкий круг вопросов состояния исследований в области оптоэлектроники и фотоники – полупроводниковую фотосенсорику и материалы фотосенсорики, микрокриогенную технику, технику тепловидения и ночного видения. Эти проблемы во всем мире признаны критически важными и определяют уровень научного и технологического прогресса страны. В совокупности эти доклады прорисовывают контуры Дорожной карты, по которой должна развиваться отечественная фотоэлектроника.
Современное состояние и перспективы развития фотоэлектроники
C докладом «Состояние работ и перспективы развития матричных ФПУ средневолнового ИК-диапазона спектра» выступил сотрудник ГНЦ АО «НПО «Орион» К. О. Болтарь, (авторы: К. О. Болтарь, И. Д. Бурлаков, П. В. Власов, В. В. Ерошенков, А. А. Лопухин, Н. И. Яковлева). В докладе был дан обзор состояния разработок в АО «НПО «Орион» матричных фотоприемных устройств (МФПУ) средневолнового ИК-диапазона на основе антимонида индия. Докладчик отметил, что МФПУ на основе фотодиодов средневолнового ИК-диапазона наиболее востребованы в конструкции различных устройств тепловидения и теплопеленгации. Он напомнил, что в АО «НПО «Орион» серийно выпускаются МФПУ на основе объемного антимонида индия форматов 640 × 512 элементов с шагом 15 мкм с охладителем типа интегральный Стирлинг и электронным блоком сопряжения, а также выпускаются МФПУ меньших форматов. Продолжаются работы по совершенствованию конструкции и технологии изготовления МФПУ, улучшающие такие параметры, как долговременная стабильность ИК-изображения, линейность фотоотклика, однородность спектральных характеристик элементов, качество просветляющих покрытий фоточувствительного элемента. Проработана конструкция МФПУ формата 1 280 × 1 024 элементов с шагом 12 мкм. МФПУ с фоточувствительными элементами на основе эпитаксиального InSb, выращенного методом МЛЭ на высоколегированных подложках InSb. Исследована возможность повышения температуры криостатирования МФПУ до 140 К без ухудшения фотоэлектрических характеристик при замене поглощающего материала InSb на InAsSb и переходе к более широкозонным структурам типа xBn со слоем AlInSb.
Выступление «Проблемы и пути решения создания охлаждаемого устройства мегапикселного формата на диапазон спектра 3–5 мкм» А. Е. Мирофянченко (авторы сотрудники НПО «Орион»: А. Е. Мирофянченко, Е. В. Мирофянченко, Т. Ю. Яку-
шев) было посвящено подробному разбору проблем создания первого отечественного охлаждаемого матричного ФПУ мегапикселного формата на средневолновый инфракрасный ИК-диапазон спектра (3–5 мкм), выполненного на основе антимонидов. Рассказывая о путях их решения, докладчик подчеркнул, что технологии ИК-фотоэлектроники играют важную роль в развитии тепловидения, техники ночного видения и многих других областей современной техники, физики и оптики. Производители современных ИК-матричных ФПУ (МФПУ) при разработке руководствуются как стоимостью конечного изделия, так и сложившейся тенденцией SWaP. Ее суть состоит в снижении энергопотребления и массогабаритных характеристик, а также улучшением основных параметров фотодетекторов согласно критериям Джонсона. Докладчик напомнил, что идентификация объекта ИК-системой на основе МФПУ – сложная задача, для решения которой требуется увеличение разрешения и чувствительности ИК-системы. Переход на МФПУ с меньшим шагом пиксела и бóльшим форматом позволит увеличить дальность обнаружения. При этом с технологической точки зрения крайне важно преодоление барьера создания мегапикселной матрицы с шагом 10–12 мкм. Наиболее близкое устройство по рассматриваемой теме – это ИК МФПУ на основе InSb формата 640 × 512 с шагом 15 мкм производства АО «НПО «Орион».
Переходя к имеющимся проблемам, докладчик акцентировал внимание на сложной ситуация, которая складывается с обеспечением производства соответствующими материалами. Несмотря на сильную отечественную школу проектирования, производство БИС-считывания мегапикселного формата для ИК МФПУ отсутствует. В сфере производства фоточувствительного материала АО «Гиредмет» несколько лет назад продемонстрировал возможность изготовления монокристаллов антимонида индия и галлия диаметром 100 мм, однако серийный выпуск был налажен только для пластин диаметра 50 мм, применение которых нерентабельно при изготовлении устройств мегапикселного формата. Отставание наблюдается в области производства высокочистых материалов (6N‑9N), что в совокупности создает надвигающуюся угрозу технологическому суверенитету страны в ближайшее время. Недостаточное разрешение современных отечественных фотоприемных устройств на диапазон спектра 3–5 мкм ограничивает потенциал обеспечения требуемой дальности обнаружения и распознавания. Поэтому на сегодняшний день требуется повышение пространственного разрешения в тепловизионных каналах путем создания высокочувствительных мегапикселных матриц с малым шагом элементов, детектирующих излучение в диапазоне спектра 3–5 мкм. Создание мегапикселного устройства на основе антимонидов можно организовать в России в ближайшие 1–2 года при комплексном планировании, реализации стратегических программ развития с достаточным финансированием на государственном уровне.
В докладе сотрудника «НПО Орион» А. В. Полесского рассматривался вопрос «Обработка изображений в ОЭС на основе современных отечественных матричных охлаждаемых ИК ФПУ» (авторы: А. В. Полесский, И. Д. Бурлаков, Д. Э. Драгунов, П. С. Лазарев, М. Ю. Ляпустин, В. В. Старцев). Были представлены достижения в области обработки изображений в оптико-электронных системах (ОЭС) средневолнового ИК-диапазона, в которых используются отечественные матричные ФПУ на основе антимонида индия и КРТ. Докладчик отметил, что основной задачей любой тепловизионной ОЭС является формирование изображений в видимом диапазоне на основе теплового распределения наблюдаемой сцены. Современные образцы ИК-техники, представленные на рынке, помимо общеизвестных алгоритмов обработки изображений, также оснащены более современными алгоритмическими решениями, что позволяет добиться увеличения отношения сигналов объектов к фону и повысить резкость границ объектов.
Авторами приведены алгоритмы нелинейных преобразований динамического диапазона исходного кадра для наиболее информативной визуализации наблюдаемой сцены, а также их программно-аппаратная реализация в устройствах, использующих отечественные матричные фотоприемные устройства формата 640 × 512 на основе антимонида индия производства АО «НПО «Орион» и на основе КРТ производства ИФП СО РАН аналогичного формата. Поскольку нелинейные преобразования пикселов исходного изображения чувствительны к качеству ФПУ, то данные алгоритмы применимы только на ФПУ хорошего качества. Исследования показали, что ФПУ производства АО «НПО «Орион» и ИФП СО РАН имеют высокое качество, что позволяет в полной мере применять подобные алгоритмы.
В докладе В. С. Попова (ГНЦ «НПО Орион») «Матричные фотоприемники ИК-диапазона на основе нанодисперсных материалов», (авторы: В. С. Попов, В. П. Пономаренко, В. Ф. Разумов, В. В. Иванов) рассмотрены принципы работы перспективных фотоприемников на основе коллоидных квантовых точек. Авторы проанализировали передовые зарубежные и отечественные результаты в области создания фоточувствительных элементов на коллоидных квантовых точках и приборов на их основе. Отмечено, что в настоящее время в фотоэлектронике в части перспективных исследований и разработок много внимания уделяется вопросам создания фотосенсоров на основе размерно-квантованных (0D-, 1D- и 2D-нанодисперсных материалов). В последние 3 года в области создания матричных ИК-фотоприемных устройств появилось и активно развивается новое направление, связанное с использованием в качестве фоточувствительных материалов – нанодисперсных полупроводников, получаемых методами жидкостной химии в виде суспензий – коллоидных квантовых точек. Основной особенностью данного типа матричных фотоприемников является возможность исключения наиболее сложных стадий изготовления характерных для классической технологии матричных ИК-фотоприемников. За последние несколько лет появились первые промышленные образцы ИК-матричных фотоприемников мегапикселного формата для расширенного спектрального диапазона от видимого диапазона вплоть до 2,0 мкм, так же были продемонстрированы первые прототипы матричных фотоприемников и камер на их основе, работающих в спектральном диапазоне 3–5 мкм. В докладе были также проанализированы передовые зарубежные и отечественные результаты в данной области, в частности результаты работ, проводимых в АО «НПО «Орион» и МФТИ.
Крайне интересными были доклады, посвященные неохлаждаемым матричным ФПУ болометрического типа, представленные авторами из АО «ОКБ «Астрон» (Лыткарино). C докладом «Применение программных продуктов САПР для моделирования оптико-электронных, электромагнитных и термомеханических свойств перспективных матричных микроболометрических приемников ИК-излучения» выступил А. А. Солодков (авторы: А. А. Солодков, В. Ю. Москвичев, Н. А. Шилейко). В своем выступлении они представили результаты отработки вариантов применения САПР для моделирования оптико-электронных, электромагнитных и термомеханических свойств перспективных матричных микроболометрических приемников ИК-излучения в рамках реализации ряда технологических проектов по созданию перспективных образцов. Авторы отмечали, что программные продукты САПР находят все более широкое применение для моделирования устройств на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) различного назначения, включая неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники (ММБП) ИК-излучения, в которых чувствительные элементы реализуются на базе конструкций мембранного типа в рамках решений в области микромеханики. Это связано с потребностями достижения экстремальных значений параметров за счет различных конструктивнотехнологических решений и необходимостью проработки методами моделирования множества вариантов таких решений.
Специалистами АО «ОКБ «Астрон» в рамках реализации ряда технологических проектов, направленных на создание перспективных ММБП ИК-излучения, отработан методический подход по применению отдельных программных продуктов САПР для моделирования конструкций и физических свойств таких ММБП.
C интересным докладом «Фотоприемное устройство на основе матричного микроболометрического детектора со спектральным диапазоном чувствительности 2–16 мкм» выступил сотрудник АО «ОКБ Астрон» Н. А. Шилейко (авторы: Р. З. Хафизов, В. М. Белоконев, В. Ю. Москвичев, В. В. Серов, Н. А. Шилейко, Д. Ю. Шатунов, О. А. Сильницкая). Было анонсировано, что в ОКБ «Астрон» разработано ФПУ на основе матричного микроболометрического детектора с равномерным спектром поглощения на уровне 90% в диапазоне 2–16 мкм. Он привел результаты экспериментальных исследований параметров ФПУ, демонстрирующие возможности расширения характеристик оптико-электронных систем. Авторы отметили, что матричные микроболометрические детекторы, обеспечивающие широкополосное поглощение теплового излучения, позволяют существенно улучшить характеристики ОЭС по обнаружению, распознаванию и идентификации техногенных объектов, составные части которых в результате функционирования нагреваются в широком (от 30 до 300 °C) диапазоне температур.
К проблемам создания неохлаждаемых МФПУ также можно отнести доклад А. Ю. Кунцевича из ФИАН им. П. Н. Лебедева «Рост аморфного оксида ванадия при реактивном электронно-лучевом испарении и характеризация скорости отклика резистивных фоточувствительных элементов» (авторы: А. Ю. Кунцевич, Е. В. Таркаева, М. И. Блуменау, В. А. Иевлева, А. И. Дулебо). Известно, что аморфный VOx – основной материал неохлаждаемых болометров, с сильной зависимостью удельного сопротивления от температуры, но при этом не имеющий гистерезисного фазового перехода, свойственного кристаллическим VOx. В своем докладе авторы сообщили о росте пленок аморфного VOx при низких температурах с малым количеством технологических параметров. Для их аттестации разработан метод накачка-зондирование, который позволяет изучать релаксацию сопротивления после воздействия лазерного импульса и устанавливать ограничения на быстродействие. Преимущество метода – воспроизводимость и малое количество техпараметров.
К другому кругу проблем оптоэлектроники относился доклад сотрудника АО «ЦНИИ «Циклон» С. А. Стахарного «Тонкая настройка качества изображения для вывода на экране OLED микродисплеев с кремниевой СБИС управления» (авторы: А. Ю. Забабурин, А. В. Нуриев, С. А. Стахарный, Д. С. Шипицин). Известно, что на сегодняшний день активно развиваются индивидуальные средства отображения информации, построенные на миниатюрных дисплеях – микродисплеях. Авторами проведены исследования особенностей настройки качества изображения для вывода на экране OLED микродисплеев с кремниевой СБИС управления – одного из самых перспективных направлений. Приведены закономерности и алгоритмы преобразования входного цифрового видеосигнала для получения наиболее информативного визуального отображения на экране OLED микродисплеев без потери качества исходного изображения. Компактные габариты и низкое энергопотребление OLED микродисплеев крайне важны при создании портативных эргономичных средств отображения информации (наголовных видеомодулей, очков и шлемов виртуальной, дополненной и смешанной реальности – VR/AR/MR). Вместе с тем OLED микродисплеи имеют особенности характеристик, связанными с фундаментально физическими свойствами электролюминесцентных OLED структур, так и особенностями кремниевой технологии при создании СБИС управления. Основной проблемой является наличие существенной нелинейности вольт-яркостной характеристики OLED структур и наличие порогового напряжения, до достижения которого электролюминесценция отсутствует.
В работе были проведены результаты исследований и разработанные алгоритмы преобразования входного цифрового видеосигнала для получения наиболее информативного визуального отображения на экране OLED микродисплеев без потери качества исходного изображения. Исследования проведены с учетом физических свойств электролюминесцентных OLED структур, изготовленных в АО «ЦНИИ «Циклон», а также пикселных ячеек в привязке к отечественной кремниевой технологии с проектными нормами 180 нм АО «Микрон». Результаты работы применимы для повышения качества аппаратуры с применением уже разработанных OLED микродисплеев и используются для проектирования кремниевых СБИС управления разрабатываемых OLED микродисплеев с расширенными функциональными возможностями.
В настоящий момент детекторы на основе многоканальных электронных усилителей (МЭУ) нашли самое широкое применение в различных сферах науки и техники, таких как исследования в области ядерной физики, масс-спектрометрия, техники для космических исследований, медицине, электронной микроскопии и т. д. Этому интересному направлению был посвящен доклад представителя ООО ВТЦ «Баспик» Россия, г. Владикавказ, РСО-Алания, С. В. Кривова «Микроканальные электронные усилители: принцип работы и сферы применения». В докладе были освещены новейшие разработки компании «Баспик» в области создания МЭУ и детекторов на их основе, представлен модельный ряд продукции с описанием технических характеристик и сфер применения. За последнее время предприятием разработаны и освоены детекторы для времяпролетной масс-спектрометрии, квадрупольной масс-спектрометрии, рентгеновской спектрометрии, детекторы ультрафиолетового и видимого излучения, детекторы для диагностики профиля пучка заряженных частиц в ускорителях и т. д. В докладе сделан акцент на возможность и необходимость импортозамещения широкой номенклатуры изделий на основе МЭУ на российском рынке.
Выводы
Участники конференции, обсудив состояние развития техники, сформулировали приоритетные научно-технические задачи:
Заключение
Подводя итог заседания секции, участники высоко оценили работу форума и подчеркнули ценность дискуссий, развернутых в рамках секции 12 вокруг научно-технических результатов. Они отметили общую атмосферу мероприятия, способствующую важному обмену опытом в области микро- и оптоэлектроники.
Форум «Микроэлектроника», прошедший на федеральной территории «Сириус», проявил себя эффективной площадкой для апробации новых идей и представления достижений. Результаты, рожденные в ходе дискуссий, и итоговые материалы секции 12 будут положены в основу направлений деятельности Рабочей группы Комитета по научно-технологическому и инфраструктурному развитию Совета по развитию электронной промышленности, которая составляет Дорожную карту развития оптоэлектроники в России.
А. В. Наумов 1, А. В. Полесских 2, А. С. Башкатов 3
АО «ОКБ «Астрон», г. Лыткарино, Моск. обл., Россия
ГНЦ РФ АО «НПО «Орион», Москва, Россия
ФГБУ ВНИИР, Мытищи, Моск. обл. Россия
Форум «Микроэлектроника‑2023» состоялся с 9 по 14 октября 2023 года на федеральной территории «Сириус» в г. Сочи. На конференции были представлены 869 научных докладов. Общее количество участников форума составило 2 500 человек. В настоящем обзоре представлены доклады, заслушанные на форуме «Микроэлектроника» в рамках работы секции № 12 «Технологии оптоэлектроники и фотоники» в подсекции 12.1 «Опто- и фотоэлектроника».
Ключевые слова: оптоэлектроника, фотоника, матричные фотоприемные устройства
Статья поступила: 27.10.2023
Статья принята: 30.11.2023
Введение
Тематика докладов охватывала широкий круг вопросов состояния исследований в области оптоэлектроники и фотоники – полупроводниковую фотосенсорику и материалы фотосенсорики, микрокриогенную технику, технику тепловидения и ночного видения. Эти проблемы во всем мире признаны критически важными и определяют уровень научного и технологического прогресса страны. В совокупности эти доклады прорисовывают контуры Дорожной карты, по которой должна развиваться отечественная фотоэлектроника.
Современное состояние и перспективы развития фотоэлектроники
C докладом «Состояние работ и перспективы развития матричных ФПУ средневолнового ИК-диапазона спектра» выступил сотрудник ГНЦ АО «НПО «Орион» К. О. Болтарь, (авторы: К. О. Болтарь, И. Д. Бурлаков, П. В. Власов, В. В. Ерошенков, А. А. Лопухин, Н. И. Яковлева). В докладе был дан обзор состояния разработок в АО «НПО «Орион» матричных фотоприемных устройств (МФПУ) средневолнового ИК-диапазона на основе антимонида индия. Докладчик отметил, что МФПУ на основе фотодиодов средневолнового ИК-диапазона наиболее востребованы в конструкции различных устройств тепловидения и теплопеленгации. Он напомнил, что в АО «НПО «Орион» серийно выпускаются МФПУ на основе объемного антимонида индия форматов 640 × 512 элементов с шагом 15 мкм с охладителем типа интегральный Стирлинг и электронным блоком сопряжения, а также выпускаются МФПУ меньших форматов. Продолжаются работы по совершенствованию конструкции и технологии изготовления МФПУ, улучшающие такие параметры, как долговременная стабильность ИК-изображения, линейность фотоотклика, однородность спектральных характеристик элементов, качество просветляющих покрытий фоточувствительного элемента. Проработана конструкция МФПУ формата 1 280 × 1 024 элементов с шагом 12 мкм. МФПУ с фоточувствительными элементами на основе эпитаксиального InSb, выращенного методом МЛЭ на высоколегированных подложках InSb. Исследована возможность повышения температуры криостатирования МФПУ до 140 К без ухудшения фотоэлектрических характеристик при замене поглощающего материала InSb на InAsSb и переходе к более широкозонным структурам типа xBn со слоем AlInSb.
Выступление «Проблемы и пути решения создания охлаждаемого устройства мегапикселного формата на диапазон спектра 3–5 мкм» А. Е. Мирофянченко (авторы сотрудники НПО «Орион»: А. Е. Мирофянченко, Е. В. Мирофянченко, Т. Ю. Яку-
шев) было посвящено подробному разбору проблем создания первого отечественного охлаждаемого матричного ФПУ мегапикселного формата на средневолновый инфракрасный ИК-диапазон спектра (3–5 мкм), выполненного на основе антимонидов. Рассказывая о путях их решения, докладчик подчеркнул, что технологии ИК-фотоэлектроники играют важную роль в развитии тепловидения, техники ночного видения и многих других областей современной техники, физики и оптики. Производители современных ИК-матричных ФПУ (МФПУ) при разработке руководствуются как стоимостью конечного изделия, так и сложившейся тенденцией SWaP. Ее суть состоит в снижении энергопотребления и массогабаритных характеристик, а также улучшением основных параметров фотодетекторов согласно критериям Джонсона. Докладчик напомнил, что идентификация объекта ИК-системой на основе МФПУ – сложная задача, для решения которой требуется увеличение разрешения и чувствительности ИК-системы. Переход на МФПУ с меньшим шагом пиксела и бóльшим форматом позволит увеличить дальность обнаружения. При этом с технологической точки зрения крайне важно преодоление барьера создания мегапикселной матрицы с шагом 10–12 мкм. Наиболее близкое устройство по рассматриваемой теме – это ИК МФПУ на основе InSb формата 640 × 512 с шагом 15 мкм производства АО «НПО «Орион».
Переходя к имеющимся проблемам, докладчик акцентировал внимание на сложной ситуация, которая складывается с обеспечением производства соответствующими материалами. Несмотря на сильную отечественную школу проектирования, производство БИС-считывания мегапикселного формата для ИК МФПУ отсутствует. В сфере производства фоточувствительного материала АО «Гиредмет» несколько лет назад продемонстрировал возможность изготовления монокристаллов антимонида индия и галлия диаметром 100 мм, однако серийный выпуск был налажен только для пластин диаметра 50 мм, применение которых нерентабельно при изготовлении устройств мегапикселного формата. Отставание наблюдается в области производства высокочистых материалов (6N‑9N), что в совокупности создает надвигающуюся угрозу технологическому суверенитету страны в ближайшее время. Недостаточное разрешение современных отечественных фотоприемных устройств на диапазон спектра 3–5 мкм ограничивает потенциал обеспечения требуемой дальности обнаружения и распознавания. Поэтому на сегодняшний день требуется повышение пространственного разрешения в тепловизионных каналах путем создания высокочувствительных мегапикселных матриц с малым шагом элементов, детектирующих излучение в диапазоне спектра 3–5 мкм. Создание мегапикселного устройства на основе антимонидов можно организовать в России в ближайшие 1–2 года при комплексном планировании, реализации стратегических программ развития с достаточным финансированием на государственном уровне.
В докладе сотрудника «НПО Орион» А. В. Полесского рассматривался вопрос «Обработка изображений в ОЭС на основе современных отечественных матричных охлаждаемых ИК ФПУ» (авторы: А. В. Полесский, И. Д. Бурлаков, Д. Э. Драгунов, П. С. Лазарев, М. Ю. Ляпустин, В. В. Старцев). Были представлены достижения в области обработки изображений в оптико-электронных системах (ОЭС) средневолнового ИК-диапазона, в которых используются отечественные матричные ФПУ на основе антимонида индия и КРТ. Докладчик отметил, что основной задачей любой тепловизионной ОЭС является формирование изображений в видимом диапазоне на основе теплового распределения наблюдаемой сцены. Современные образцы ИК-техники, представленные на рынке, помимо общеизвестных алгоритмов обработки изображений, также оснащены более современными алгоритмическими решениями, что позволяет добиться увеличения отношения сигналов объектов к фону и повысить резкость границ объектов.
Авторами приведены алгоритмы нелинейных преобразований динамического диапазона исходного кадра для наиболее информативной визуализации наблюдаемой сцены, а также их программно-аппаратная реализация в устройствах, использующих отечественные матричные фотоприемные устройства формата 640 × 512 на основе антимонида индия производства АО «НПО «Орион» и на основе КРТ производства ИФП СО РАН аналогичного формата. Поскольку нелинейные преобразования пикселов исходного изображения чувствительны к качеству ФПУ, то данные алгоритмы применимы только на ФПУ хорошего качества. Исследования показали, что ФПУ производства АО «НПО «Орион» и ИФП СО РАН имеют высокое качество, что позволяет в полной мере применять подобные алгоритмы.
В докладе В. С. Попова (ГНЦ «НПО Орион») «Матричные фотоприемники ИК-диапазона на основе нанодисперсных материалов», (авторы: В. С. Попов, В. П. Пономаренко, В. Ф. Разумов, В. В. Иванов) рассмотрены принципы работы перспективных фотоприемников на основе коллоидных квантовых точек. Авторы проанализировали передовые зарубежные и отечественные результаты в области создания фоточувствительных элементов на коллоидных квантовых точках и приборов на их основе. Отмечено, что в настоящее время в фотоэлектронике в части перспективных исследований и разработок много внимания уделяется вопросам создания фотосенсоров на основе размерно-квантованных (0D-, 1D- и 2D-нанодисперсных материалов). В последние 3 года в области создания матричных ИК-фотоприемных устройств появилось и активно развивается новое направление, связанное с использованием в качестве фоточувствительных материалов – нанодисперсных полупроводников, получаемых методами жидкостной химии в виде суспензий – коллоидных квантовых точек. Основной особенностью данного типа матричных фотоприемников является возможность исключения наиболее сложных стадий изготовления характерных для классической технологии матричных ИК-фотоприемников. За последние несколько лет появились первые промышленные образцы ИК-матричных фотоприемников мегапикселного формата для расширенного спектрального диапазона от видимого диапазона вплоть до 2,0 мкм, так же были продемонстрированы первые прототипы матричных фотоприемников и камер на их основе, работающих в спектральном диапазоне 3–5 мкм. В докладе были также проанализированы передовые зарубежные и отечественные результаты в данной области, в частности результаты работ, проводимых в АО «НПО «Орион» и МФТИ.
Крайне интересными были доклады, посвященные неохлаждаемым матричным ФПУ болометрического типа, представленные авторами из АО «ОКБ «Астрон» (Лыткарино). C докладом «Применение программных продуктов САПР для моделирования оптико-электронных, электромагнитных и термомеханических свойств перспективных матричных микроболометрических приемников ИК-излучения» выступил А. А. Солодков (авторы: А. А. Солодков, В. Ю. Москвичев, Н. А. Шилейко). В своем выступлении они представили результаты отработки вариантов применения САПР для моделирования оптико-электронных, электромагнитных и термомеханических свойств перспективных матричных микроболометрических приемников ИК-излучения в рамках реализации ряда технологических проектов по созданию перспективных образцов. Авторы отмечали, что программные продукты САПР находят все более широкое применение для моделирования устройств на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) различного назначения, включая неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники (ММБП) ИК-излучения, в которых чувствительные элементы реализуются на базе конструкций мембранного типа в рамках решений в области микромеханики. Это связано с потребностями достижения экстремальных значений параметров за счет различных конструктивнотехнологических решений и необходимостью проработки методами моделирования множества вариантов таких решений.
Специалистами АО «ОКБ «Астрон» в рамках реализации ряда технологических проектов, направленных на создание перспективных ММБП ИК-излучения, отработан методический подход по применению отдельных программных продуктов САПР для моделирования конструкций и физических свойств таких ММБП.
C интересным докладом «Фотоприемное устройство на основе матричного микроболометрического детектора со спектральным диапазоном чувствительности 2–16 мкм» выступил сотрудник АО «ОКБ Астрон» Н. А. Шилейко (авторы: Р. З. Хафизов, В. М. Белоконев, В. Ю. Москвичев, В. В. Серов, Н. А. Шилейко, Д. Ю. Шатунов, О. А. Сильницкая). Было анонсировано, что в ОКБ «Астрон» разработано ФПУ на основе матричного микроболометрического детектора с равномерным спектром поглощения на уровне 90% в диапазоне 2–16 мкм. Он привел результаты экспериментальных исследований параметров ФПУ, демонстрирующие возможности расширения характеристик оптико-электронных систем. Авторы отметили, что матричные микроболометрические детекторы, обеспечивающие широкополосное поглощение теплового излучения, позволяют существенно улучшить характеристики ОЭС по обнаружению, распознаванию и идентификации техногенных объектов, составные части которых в результате функционирования нагреваются в широком (от 30 до 300 °C) диапазоне температур.
К проблемам создания неохлаждаемых МФПУ также можно отнести доклад А. Ю. Кунцевича из ФИАН им. П. Н. Лебедева «Рост аморфного оксида ванадия при реактивном электронно-лучевом испарении и характеризация скорости отклика резистивных фоточувствительных элементов» (авторы: А. Ю. Кунцевич, Е. В. Таркаева, М. И. Блуменау, В. А. Иевлева, А. И. Дулебо). Известно, что аморфный VOx – основной материал неохлаждаемых болометров, с сильной зависимостью удельного сопротивления от температуры, но при этом не имеющий гистерезисного фазового перехода, свойственного кристаллическим VOx. В своем докладе авторы сообщили о росте пленок аморфного VOx при низких температурах с малым количеством технологических параметров. Для их аттестации разработан метод накачка-зондирование, который позволяет изучать релаксацию сопротивления после воздействия лазерного импульса и устанавливать ограничения на быстродействие. Преимущество метода – воспроизводимость и малое количество техпараметров.
К другому кругу проблем оптоэлектроники относился доклад сотрудника АО «ЦНИИ «Циклон» С. А. Стахарного «Тонкая настройка качества изображения для вывода на экране OLED микродисплеев с кремниевой СБИС управления» (авторы: А. Ю. Забабурин, А. В. Нуриев, С. А. Стахарный, Д. С. Шипицин). Известно, что на сегодняшний день активно развиваются индивидуальные средства отображения информации, построенные на миниатюрных дисплеях – микродисплеях. Авторами проведены исследования особенностей настройки качества изображения для вывода на экране OLED микродисплеев с кремниевой СБИС управления – одного из самых перспективных направлений. Приведены закономерности и алгоритмы преобразования входного цифрового видеосигнала для получения наиболее информативного визуального отображения на экране OLED микродисплеев без потери качества исходного изображения. Компактные габариты и низкое энергопотребление OLED микродисплеев крайне важны при создании портативных эргономичных средств отображения информации (наголовных видеомодулей, очков и шлемов виртуальной, дополненной и смешанной реальности – VR/AR/MR). Вместе с тем OLED микродисплеи имеют особенности характеристик, связанными с фундаментально физическими свойствами электролюминесцентных OLED структур, так и особенностями кремниевой технологии при создании СБИС управления. Основной проблемой является наличие существенной нелинейности вольт-яркостной характеристики OLED структур и наличие порогового напряжения, до достижения которого электролюминесценция отсутствует.
В работе были проведены результаты исследований и разработанные алгоритмы преобразования входного цифрового видеосигнала для получения наиболее информативного визуального отображения на экране OLED микродисплеев без потери качества исходного изображения. Исследования проведены с учетом физических свойств электролюминесцентных OLED структур, изготовленных в АО «ЦНИИ «Циклон», а также пикселных ячеек в привязке к отечественной кремниевой технологии с проектными нормами 180 нм АО «Микрон». Результаты работы применимы для повышения качества аппаратуры с применением уже разработанных OLED микродисплеев и используются для проектирования кремниевых СБИС управления разрабатываемых OLED микродисплеев с расширенными функциональными возможностями.
В настоящий момент детекторы на основе многоканальных электронных усилителей (МЭУ) нашли самое широкое применение в различных сферах науки и техники, таких как исследования в области ядерной физики, масс-спектрометрия, техники для космических исследований, медицине, электронной микроскопии и т. д. Этому интересному направлению был посвящен доклад представителя ООО ВТЦ «Баспик» Россия, г. Владикавказ, РСО-Алания, С. В. Кривова «Микроканальные электронные усилители: принцип работы и сферы применения». В докладе были освещены новейшие разработки компании «Баспик» в области создания МЭУ и детекторов на их основе, представлен модельный ряд продукции с описанием технических характеристик и сфер применения. За последнее время предприятием разработаны и освоены детекторы для времяпролетной масс-спектрометрии, квадрупольной масс-спектрометрии, рентгеновской спектрометрии, детекторы ультрафиолетового и видимого излучения, детекторы для диагностики профиля пучка заряженных частиц в ускорителях и т. д. В докладе сделан акцент на возможность и необходимость импортозамещения широкой номенклатуры изделий на основе МЭУ на российском рынке.
Выводы
Участники конференции, обсудив состояние развития техники, сформулировали приоритетные научно-технические задачи:
- совершенствование и разработка методами гетероэпитаксиальной инженерии исходных полупроводниковых фоточувствительных материалов и структур;
- разработка технологии создания матричных массивов фоточувствительных элементов с предельно малым шагом элементов вплоть до 5 мкм, обеспечивающей формирование мегапикселных матриц с низкой дефектностью и малой взаимосвязью, а также их гибридизацию с кремниевыми мультиплексорами;
- создание мультиплексоров с малым шагом входных ячеек, цифровой предобработкой и числом входных ячеек ≈ 106–107;
- разработка типоряда микрокриогенных систем охлаждения, в том числе малогабаритных с низким энергопотреблением для «высокотемпературных» МФПУ;
- развитие новых принципов и материалов для регистрации ИК-излучения, включая фотоприемники на основе квантовых точек, других 2D-структур и т. п.
Заключение
Подводя итог заседания секции, участники высоко оценили работу форума и подчеркнули ценность дискуссий, развернутых в рамках секции 12 вокруг научно-технических результатов. Они отметили общую атмосферу мероприятия, способствующую важному обмену опытом в области микро- и оптоэлектроники.
Форум «Микроэлектроника», прошедший на федеральной территории «Сириус», проявил себя эффективной площадкой для апробации новых идей и представления достижений. Результаты, рожденные в ходе дискуссий, и итоговые материалы секции 12 будут положены в основу направлений деятельности Рабочей группы Комитета по научно-технологическому и инфраструктурному развитию Совета по развитию электронной промышленности, которая составляет Дорожную карту развития оптоэлектроники в России.
Отзывы читателей
