Многоканальная спектрометрия и матричное тепловидение, основанные на использовании арсенид-индиевых фоточувствительных МДП-структур с зарядовой инжекцией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ВаГшер Борис Григорьевич

МНОГОКАНАЛЬНАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ

И МАТРИЧНОЕ ТЕПЛОВИДЕНИЕ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ АРСЕНИД-ИНДИЕВЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МДП-СТРУКТУР С ЗАРЯДОВОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2009

1 О ДЕК 2009

003487657

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения РАН.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КНЯЗЕВ

Борис Александрович

СЛАБКО

Виталий Васильевич

ТОЛБАНОВ Олег Петрович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

- доктор физико-математических наук, профессор, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

- доктор физико-математических наук, профессор, Институт инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета, г. Красноярск.

- доктор физико-математических наук, профессор, Научно-образовательный центр "Физика и электроника сложных полупроводников" Томского государственного университета, г. Томск.

- Учреждение Российской академии наук Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения РАН, г. Томск.

^^ » часов на

Защита диссертации состоится « декабря 2009 г. в

заседании диссертационного совета Д.003.016.03 Учреждения Российской Академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан: « 2.0 » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Спектрометрию и тепловидение - высокоинформативные и широко известные сегодня методы экспериментальной физики - объединяет то, что ключевым элементом в них является детектор электромагнитного (ЭМ) излучения. От последнего зависят чувствительность, быстродействие, разрешающая способность и спектральный диапазон измерительной системы. Параметры детекторов, значительная доля которых - полупроводниковые, во многом определяются уровнем развития микроэлектроники, поэтому к началу диссертационной работы в большинстве спектрометров видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов в качестве детекторов использовались лишь наиболее простые - одноэлементные - фотоприемники, и работали эти приборы по классической оптической схеме со сканированием спектра одиночной выходной щелью монохроматора. Практически, во всех тепловизорах также применялись одиночные и, реже, линейчатые фотоприемники, требующие для построения двумерного изображения теплового поля наличия внутреннего оптико-механического сканера. Механическая развертка спектра в спектрометрах и механическое сканирование в тепловизорах существенно ограничивали быстродействие систем, сопровождались акустическим шумом, избыточными ЭМ наводками и вибрацией. Отсутствие в большинстве приборов компьютерной поддержки снижало производительность и информативность исследований.

Принципиально новым техническим решением стало в спектрометрии применение многоэлементных (многоканальных) детекторов, устанавливаемых вместо выходной щели, а в тепловидении - использование матричных фотоприемников, не требующих оптико-механического сканирования. Это на 2-3 порядка увеличило быстродействие систем и, при прочих равных условиях, почти во столько же раз улучшило их чувствительность, поскольку механическое сканирование было заменено практически безынерционным - электронным.

К началу 90-х годов 20-го века, когда появились наши первые публикации по многоканальной спектрометрии, многоэлементные полупроводниковые детекторы если и применялись в спектрометрах, то были изготовлены, как правило, из кремния, а потому могли решать задачи лишь в области от ультрафиолетового (0.2 мкм) до ближнего ИК (около I мкм) диапазона. Были сообщения о создании двумерных теп-ловизионных матриц (например, на основе InSb, KPT), и приводились полученные с их помощью демонстрационные примеры изображений, однако, матричными детекторами регистрировалось, в основном, ИК излучение относительно длинноволновых (4-12 мкм) и широких по протяженности участков спектра.

Многоэлементные системы, созданные на основе узкозонного полупроводника типа А3В5 арсенида индия, оставались к началу диссертационных исследований, практически, без внимания, хотя можно было понять, что они позволяют в области собственного поглощения InAs охватить важный для многих спектрометрических приложений диапазон от видимого вплоть до 3.05 мкм, в котором, в частности, открывалась привлекательная возможность их использования в такой значимой области экспериментальной физики, как широкодиапазонная многоканальная спектрометрия.

Идея построения матричного тепловидения на основе арсенид-индиевых фото-

элементов была интересна тем, что среди полупроводниковых соединений, потенциально пригодных для тепловидения высокого пространственного и температурного разрешения, 1пЛз занимал наиболее коротковолновую область (вблизи 3 мкм). Перспективность тепловидения, основанного на применении ¡пАй-детекторов, состоит в следующем:

1) фундаментальные свойства теплового излучения предсказывают заметно большую контрастность изображения в коротковолновой ИК области по сравнению с длинноволновой [1];

2) объединенная в гибридную микросхему с кремниевым мультиплексором ар-сенид-индиевая фотоприемная матрица обладает узким спектральным диапазоном чувствительности (ширина рабочей полосы много меньше средней рабочей длины волны детектора); в коротковолновой и узкой спектральной области чувствительности можно обеспечить больший динамический диапазон тепловизионных камер, использующих детекторы с накоплением заряда, в силу не столь существенного влияния фонового излучения окружающих тел, приводящего к быстрому переполнению ячеек длинноволновых ИК фотоприемников;

3) арсенид-индиевые детекторы с шириной запрещенной зоны полупроводника около 0.4 эВ допускают работу при более высоких температурах, чем длинноволновые с шириной зоны 0.2 эВ и меньше;

4) при меньших длинах волн и в условиях спектральной узкополосности обеспечивается лучшее пространственное разрешение оптической системы ввиду ослабления дифракционных ограничений и отсутствия хроматических аберраций.

Простыми и удобными в изготовлении, а потому перспективными для приборостроения фоточувствительными элементами служат структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [2], работающие на физическом принципе приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ) [3]. Вместе с тем, при разработке физических основ построения многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения на новой элементной базе следовало принимать во внимание ряд принципиальных отличий МДП-ПЗИ элементов на основе ¡пАэ от хорошо изученных кремниевых МДП-ПЗИ ячеек, а по ряду признаков и от других структур, используемых в ИК технике. Перечисленные ниже факторы способны отразиться на физических характеристиках и результатах практического применения арсенид-индиевых фотоприемных ячеек ПЗИ:

1) арсенид-индиевая система обладает температурной неустойчивостью, требующей при создании МДП-структур использовать низкотемпературные технологии;

2) электронное сродство % в ^Аэ на 0.9 эВ превышает % в 8!, что влияет на высоту потенциальных барьеров в структурах с одинаковыми диэлектриками;

3) стандартные измерения на и на узкозонных полупроводниках типа А^В5 проводят при разной температуре (300 К и 80 К), от которой зависит соотношение между полевыми и термоактивационными механизмами в процессах инжекции и переноса заряда;

4) фундаментальные свойства 1пА£, в частности, его зонная структура существенно отличаются от полупроводников IV группы;

5) из-за низкой плотности электронных состояний в зоне проводимости поверхностный изгиб зон здесь заметно больше, чем в что влияет на распределение элек-

трического поля в МДП-структуре и на высоту потенциального барьера ГпАб-диэлектрик;

6) в тепловизионном исполнении арсенид-индиевая ячейка является спектрально-узкополосной, что принципиально отличает ее от многих ИК фотоприемников;

7) при спектрометрическом применении такая ячейка является спектрально-широкополосной, функционирующей одновременно в ИК и видимой частях спектра, что не характерно для многих ИК фотоприемников;

8) арсенид-индиевая МДП-структура сама является накопительной ячейкой ПЗИ, в отличие от многих других ИК фотоприемников (фотодиоды, барьеры Шоттки, многослойные меза-структуры), где накопительная ячейка перемещена в кремниевый мультиплексор.

В связи с отсутствием знаний об особенностях протекания физических процессов в арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структурах, функционирующих в составе многоэлементного фоточувствительного устройства, не было оснований считать их пригодными для целей многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения. Способность таких структур в интегральном исполнении удовлетворять задачам, стоящим перед матричным тепловидением и многоканальной спектрометрией, являлась неочевидной хотя бы потому, что никто до сих пор в указанных областях их систематически не использовал и применимость к указанным областям целенаправленно не изучал. Таким образом, изучение физических процессов в арсенид-индиевых МДП-структурах и МДП-ПЗИ ячейках, работающих в составе многоэлементных фотоприемников, применительно к их использованию в спектрометрии и тепловидении, явилось новой и актуальной научной задачей. Само тепловидение также нуждалось в развитии основанных на нем методов научного исследования, поскольку последние к началу диссертационных работ опирались лишь на использование сканирующих камер ранних поколений, принципиально не позволявших корректно решать многие задачи экспериментальной физики.

Всем вышесказанным определилась актуальность разработки теоретических и практических основ создания современных высокоэффективных методов научного исследования - многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения, построенных на использовании спектрально-широкополосных линейных и коротковолновых спектрально-узкополосных матричных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ фотоприемников, разработки новых подходов к решению задач, ориентированных на использование физических приборов нового поколения - многоканальных спектрометров и матричных тепловизоров, всестороннего изучения физических процессов в арсенид-индиевых МДП-ПЗИ фоточувствительных структурах и многоэлементных детекторах излучения на их основе применительно к использованию в многоканальной спектрометрии и матричном тепловидении.

Цель диссертационных исследований: разработка и развитие базовых физических принципов построения спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии и коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения на основе использования фоточувствительных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур с зарядовой инжекцией и необходимое для этого исследование физических процессов,

протекающих в указанных структурах при их функционировании в составе многоэлементных (линейных и двумерных) детекторов ЭМ излучения.

Конкретные задачи работы состояли в следующем:

1. Экспериментально, аналитически и методами компьютерного моделирования исследовать арсенид-индиевые МДП-ПЗИ элементы применительно к условиям их работы в составе многоканальных линейных и матричных спектрометрических и теп-ловизионных фотоприемных устройств (ФПУ).

2. Определить физические механизмы зарядовой нестабильности МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 во внешнем электрическом поле при температуре, близкой к 80 К, путем исследования особенностей накопления заряда в диэлектрике при функционировании этих структур в режиме неравновесного обеднения.

3. Определить физическую природу локальных дефектов, избыточной латеральной фоточувствительности и перекрестных наводок в многоканальных арсенид-индиевых фотоприемниках, предназначенных для спектрометрии и тепловидения.

4. Разработать и программно реализовать метод самосогласованного квантового расчета дискретного энергетического спектра и поверхностного потенциала в слоях обогащения узкозонных полупроводников с учетом непараболичности зоны проводимости и фермиевской статистики с целью уточнения потенциальных барьеров на границе полупроводник-диэлектрик и распределения электрического поля в МДП-структуре.

5. Разработать и программно реализовать аналитическую полуэмпирическую модель, описывающую заполнение неравновесной потенциальной ямы фотогенери-рованными и тепловыми носителями заряда с учетом латерального диффузионного подтекания и исследовать особенности работы арсенид-ицдиевой ПЗИ-ячейки ограниченной зарядовой емкости в предельных режимах функционирования, приближающих ее к состоянию зарядового насыщения, порождающему фундаментальные ограничения на точность тепловизионных и спектрометрических измерений при использовании ПЗИ-детекторов.

6. Разработать новые экспериментально-аналитические методы исследования МДП-структур, фоточувствительных ячеек на основе узкозонных полупроводников, спектрометрических и тепловизионных ФПУ, направленные на уточнение зонной диаграммы МДП-структур, определение уровня перекрестной связи фотоэлементов, установление линейности свет-сигнальной характеристики, прецизионное изучение координатных характеристик локальной фоточувствительности.

7. Использовать полученные результаты исследования физических свойств фотоприемников на основе узкозонных полупроводников 1пБЬ и ГпАб, а также многоэлементных ФПУ, с целью создания многоканальных спектрометров и коротковолновых спектрально-узкополосных матричных тепловизоров с высокими техническими параметрами на основе арсенид-индиевых детекторов излучения. Исследовать основные физические и рабочие характеристики созданных спектрометров и тепловизоров.

8. Изучить особенности поведения фотоответа арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур, интегрированных в многоэлементные ИК детекторы, в условиях их практи-

ческого применения при решении разнообразных прикладных задач многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения, на базе чего обосновать или исключить возможность полноценного практического использования данных приборов для этих областей приложения.

9. Разработать новые принципы и методы измерения физических величин, основанные на использовании тепловидения, в частности, коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения, а именно, принцип и метод измерения энергетических характеристик диаграмм направленности источников ЭМ излучения, принцип и метод измерения поверхностной концентрации адсорбированных молекул из газовой фазы на твердом теле, метод определения спектрального коэффициента излучения поверхностей материалов на рабочей длине волны спектрально-узкополосного тепловизора, метод определения толщины и положения скрытых полостей на границах раздела в слоистых структурах, методы определения количественных характеристик тепловых полей в физике живых систем и др.

10. Расширить круг научно-прикладных задач, решаемых с помощью тепловидения, путем применения матричных фотоприемных устройств, а именно, применить матричное тепловидение для выявления диаграмм направленности ЭМ излучения, исследования токов утечки в приборах силовой электроники, решения научных проблем в области косметологии и физиологии человека, включая выявление количественных физических характеристик отдельных потовых желез и др.

11. Разработать принципиально новые эмпирические и математические подходы к количественному анализу поверхностных тепловых полей, а также методы математической обработки термограмм, экспериментально полученных с учетом улучшенных технических характеристик матричных тепловизоров.

Научная новизна исследований и результатов.

1. Впервые для области спектра от 0.5 мкм до 3.05 мкм созданы спектрально-широкодиапазонные многоканальные спектрометры на основе арсенид-индиевых МДП-ПЗИ 512-элементных линейных детекторов излучения, позволившие на этой элементной базе распространить метод многоканальной спектрометрии в ИК область вплоть до 3.05 мкм с возможностью его использования одновременно в видимой области спектра.

2. Предложено, разработано и практически реализовано около 20 новых и нестандартных способов измерений, методик расчета, принципов и методов исследования в области экспериментальной физики, среди которых

1) метод самосогласованного квантового расчета энергетических уровней и поверхностного потенциала в слое обогащения узкозонных полупроводников типа А3В3, основанный на аппроксимации модифицированным потенциалом Кратцера,

2) метод определения высоты потенциальных барьеров на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик по экспериментально полученному характеристическому полю в модели туннелирования через барьер треугольной формы,

3) способ определения нелинейности свет-сигнальной характеристики детекторов, установленных в фокальной плоскости многоканальных спектрометров,

4) способ визуализации и измерения двумерных спектров, в котором детектором

многоканального спектрометра служит тепловизионная камера,

5) метод локализации и устранения источников избыточного шума в каналах линейчатых гибридных микросхем, основанный на импульсном лазерном воздействии ¡п-$Ии,

6) тспловизнонный метод определения энергетических характеристик диаграмм направленности электромагнитного излучения (и потоков частиц, обладающих массой), не зависящий от спектрального состава излучения,

7) метод определения коэффициента излучения поверхностей материалов на рабочей длине волны спектрально-узкополосного тепловизора,

8) метод спектрально-узкополосной тепловизионной дефектоскопии скрытых границ раздела контактирующих поверхностей,

9) методы количественной оценки степени гетерогенности термограмм и др.

3. Впервые установлено, что доминирующим механизмом инжекции и растекания заряда в МДП-струвстурах на основе узкозонного полупроводника типа А3В5МЬ при Т = 80 К в сильном электрическом поле Е > 106 В/см является механизм туннели-рования электронов, а адекватным приближением для количественного описания туннелирования служит барьер треугольной формы. Справедливость этого результата экспериментально подтверждена и для МДП-структур на основе 1пАз.

4. Впервые показано, что с учетом поверхностного изгиба зон 1пАз в сильном электрическом поле высота потенциального барьера для электронов на границе 1пАв-8Ю2 составляет 3.3-3.4 эВ для значения эффективной массы электрона в барьере (0.55-0.50)/я0, где т0 - масса свободного электрона. Впервые экспериментально определены значения некоторых других параметров МДП-структур на основе 1п5Ь и 1пАз, регулирующих процессы их зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле - высота потенциальных барьеров на границе металл-диэлектрик, полупроводник-диэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек в диэлектрике, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика.

5. Впервые выявлен эффект снижения эффективности зарядовой инжекции в МДП-структурах на основе 1пАз при подаче серии коротких импульсов напряжения на полевой электрод по сравнению с одиночным импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды, связанный с влиянием неравновесного обеднения приповерхностной области 1пАз.

6. Экспериментально обнаружен эффект латерального растекания заряда (электронов) по поверхности низкотемпературного пиролитического ЯЮ^, предположительно связанный с прыжковым механизмом проводимости.

7. Впервые измерена спектральная характеристика чувствительности арсенид-индиевого матричного тепловизора, установившая реальные границы его рабочего спектрального диапазона 2.5-3.05 мкм при рабочей температуре детектора около 80 К и объективно продемонстрировавшая спектральную узкополосность прибора.

8. Впервые приведены количественные аргументы, доказывающие важность коротковолновой границы спектральной чувствительности тепловизионного детектора на основе 1пАб для корректной работоспособности ПЗИ-ячейки в предельных режимах ее функционирования.

9. Впервые МДП-ПЗИ фоточувствительные структуры на основе 1пАэ детально

исследованы на предмет их локальной координатной фото чувствительности, в результате чего обнаружены принципиально значимые эффекты латерального и избыточного фотоответа, связанные с диффузионным транспортом неосновных носителей.

10. Тепловизионные количественные измерения впервые проведены при изучении ряда природных явлений: адсорбция молекул пара на твердых поверхностях ("эффект теплового пламени"), кинетика функционирования потовых желез, характеристики теплообмена и терморегуляции живого организма, подверженного физическим и температурным нагрузкам, и др., что позволило впервые объективно зарегистрировать и описать ранее скрытые проявления природы и извлечь новые важные научные сведения об организме человека (форма и эволюция функции распределения поверхностной температуры, вариация статистических параметров гистограмм распределения поверхностной температуры и др.).

11. Впервые теоретически показана чрезвычайно высокая чувствительность теп-ловизионного метода в отношении регистрации процессов адсорбции молекул пара на твердых поверхностях, позволяющая регистрировать начальные фазы адсорбции при эффективной толщине пленки адсорбата на уровне десятых и сотых долей монослоя.

12. В тепловидение ведена новая количественная характеристика температурного поля - степень (уровень) гетерогенности, служащая для количественного описания неоднородности тепловых изображений физических объектов. Необходимость введения этой характеристики обоснована в процессе применения нетрадиционных (статистических) методов математической обработки экспериментальных результатов теп-ловизионных измерений.

13. Новые результаты получены при измерении физических величин в специальных приложениях биомедицинского тепловидения. А именно, впервые тепловидение применено для регистрации и анализа поверхностных тепловых полей в нехирургической косметологии и дано физическое обоснование адекватности использования тепловизионного метода в этой научно-прикладной области; в результате семилетнего систематического наблюдения за поверхностной температурной картиной кожи людей, осуществленного с помощью арсенид-индиевых матричных тепловизоров, обнаружено ранее неизвестное природное явление, которому дано название стабильный точечный гипергидроз; впервые обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность применения тепловидения в системе телемедицины.

Следует добавить, что в результате применения матричных МДП-ПЗИ структур на основе 1пЛ5 в тепловидении начали использоваться совершенно новые и в принципе необычные для этого метода коротковолновые спектрально-узкополосные детекторы излучения. До начала работ по теме диссертации арсенид индия с длинноволновой границей чувствительности чуть более 3 мкм в высокочувствительных матричных тепловизионных системах общего назначения вообще не применялся. Преимущественно считалось, что тепловизионные свойства систем тем лучше, чем более длинноволновую область захватывает полупроводниковый детектор. В рамках диссертации научно доказана ошибочность такого абсолютного утверждения.

Практическая ценность и применение результатов работы.

1. Арсенал современных и высокоперспективных методов экспериментальной физики дополнен многоканальной спектрометрией и коротковолновым спектрально-узкополосным тепловидением, построенными на основе применения арсенид-ицдиевых детекторов излучения.

2. Коллективно разработан и защищен патентом матричный тепловизор, построенный на основе арсенид-индиевого МДП-ПЗИ фотоприемника, доведенный до уровня промышленного образца, внесенный в Государственный реестр изделий медицинского назначения и медицинской техники (№ ФС 022а1998/0870-04) и переданный более, чем в 16 медицинских учреждений РФ, Пекинский военный госпиталь, а также в ряд научно-исследовательских институтов СО РАН (ИК, И'ГФ, ИХКиГ, ИЯФ и др.) и СО РАМН для проведения научно-исследовательских работ.

3. Предложено и защищено патентом тепловизионное устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей.

4. Представленные методы тепловизионного контроля многослойных полупроводниковых структур и бескорпусных полупроводниковых приборов способствуют увеличению процента выхода годных изделий в полупроводниковом производстве.

5. Предложен, обоснован и защищен авторским свидетельством на изобретение способ считывания сигнала в многоэлементных ПЗИ, позволяющий существенно снизить уровень перекрестных наводок в многоэлементных детекторах излучения.

6. На основании результатов диссертационных исследований схемотехнически устранена паразитная избыточная латеральная фоточувствительность ПЗИ элементов, что привело к улучшению разрешающей способности ФПУ.

7. Предложен и защищен патентом метод оценки эффективности действия косметических средств и процедур, основанный на проведенных тепловизионных исследованиях и использующий тепловизор в качестве основного средства измерений.

8. Предложенные тепловизионные методы исследования тканей применимы в легкой промышленности.

9. Обнаруженные закономерности поведения температурной картины поверхности тела человека применимы в физиологии.

Научные положения, вынесенные на защиту.

1. Арсенид-индиевые фоточувствительные ПЗИ-элементы со структурой МДП можно полноценно использовать в многоканальных линейчатых и матричных ФПУ, предназначенных для широкодиапазонной (от видимого до 3 мкм) спектрометрии и спектрально-узкополосного тепловидения.

2. Результаты исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств фоточувствительных ячеек (установленные туннельные механизмы зарядовой нестабильности, координатные характеристики чувствительности, низкий (2%) уровень электронно-оптической связи фотоэлементов, широкодиапазонная спектральная характеристика и др.), а также набор полученных спектров пропускания и эмиссионных спектров, измеренных в области от 0.5 мкм до 3.05 мкм за времена порядка нескольких миллисекунд с помощью арсенид-индиевых 512-элементных МДП-ПЗИ линейных фотоприемников, доказывают возможность и демонстрируют начало развития

спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии на базе указанных детекторов излучения.

3. Развитое при выполнении диссертационной работы коротковолновое спектрально-узкополосное матричное тепловидение, характеризующееся использованием для этой цели научно-обоснованной новой элементной базы (арсенид-индиевые матричные МДП-ПЗИ фотоприемники) и разработанными новыми методами измерения физических величин, является новым высокоинформативным инструментом исследования в экспериментальной физике.

4. Зарядовая нестабильность МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа А3В51пБЬ и ГпАб в сильном электрическом поле (> 106 В/см) при температуре, близкой к 80 К, обусловлена механизмом туннелирования электронов через треугольный потенциальный барьер.

5. Экспериментальное исследование кинетики накопления заряда в диэлектрике МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 (1п8Ь, ГпАз) при температуре жидкого азота позволило определить значения фундаментальных физических параметров этих структур: высоту потенциальных барьеров для электронов на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик, энергию активации ловушек в диэлектрике, эффективную массу электрона в запрещенной зоне анодного окисла, выращенного на ЫБЬ.

6. В фоточувствительных МДП-ПЗИ элементах на основе 1пЛз определяющую роль при температуре, близкой к 80 К, играют латеральные эффекты (латеральная фоточувствительность, латеральное растекание заряда), которые способны на количественном (десятки процентов) и качественном (потеря разрешающей способности) уровнях изменять характеристики многоэлементных детекторов излучения, созданных на базе таких полупроводниковых структур.

7. Высокоэффективным способом снижения уровня электронных перекрестных наводок в многоэлементных ПЗИ-детекторах с последовательным считыванием сигнала является задержка напряжения считывания на каждом предыдущем элементе на время, превышающее время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

8. Новая физическая величина - степень гетерогенности температурного поля, -количественно описывающая неоднородность распределения температуры поверхности физических тел, является независимой количественной характеристикой, отражающей физические свойства исследуемого объекта, и может быть определена путем математической обработки измеренных тепловизионных термограмм.

9. Тепловидение, реализованное с использованием арсенид-яндиевых спек-грально-узкополосных матричных детекторов излучения, обладает высокими пространственным разрешением (коэффициент электронно-оптической связи фотоэлементов менее 2?/о), быстродействием (порядка 100 кадров в секунду), чувствительностью (порядка сотых долей градуса при температуре объекта 30 °С) и контрастностью изображения (превышающей при температурах объекта 30-40 °С контрастность длинноволновых тепловизионных изображений на десятки процентов); в качестве примеров: оно позволяет количественно исследовать в реальном масштабе времени температурную кинетику функционирования одиночных кожных желез и регистрировать начальные стадии адсорбции молекул паров воды на твердых телах, начиная с

9

эффективной степени заполнения поверхности молекулами адсорбата, соответствующей десятым и сотым долям монослоя.

Публикации. По теме диссертационной работы соискателем опубликовано 57 научных трудов (без учета тезисов докладов и препринтов). Список 43 из них приведен в конце автореферата. Качественно-количественный состав опубликованных работ следующий: 1 самостоятельная научная монография (издательство СО РАН); 2 коллективные научные монографии (издательство СО РАН и издательство Nova Science Publishers, Inc., New York); 23 статьи в рецензируемых научных журналах, из них 8 - в иностранных; 3 патента РФ на изобретения; 1 авторское свидетельство на изобретение; 4 публикации в информационных бюллетенях РФФИ и сборниках научных трудов; 15 статей в материалах международных конференций; 4 статьи в материалах всесоюзных и всероссийских конференций; 4 статьи в материалах региональных российских конференций.

Из 57 работ по теме диссертации 27 выполнены самостоятельно (без соавторов). 17 статей напечатаны в рецензируемых журналах, определенных ВАК для опубликования основных результатов докторских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 21 международных, 9 Всесоюзных и Всероссийских, 12 региональных и межрегиональных конференциях, докладывались соискателем на Объединенной научной сессии Отделения информационных технологий и вычислительных систем, Отделения математических наук и Отделения биологических наук РАН (г. Москва, 20 октября 2004 г.), на научных семинарах институтов СО РАН, СО РАМН и других организаций, включая научные учреждения Болгарии, Китая, Словакии. Материалы диссертации вошли в учебные курсы, читавшиеся автором студентам Новосибирского государственного университета и Сибирской государственной геодезической академии.

Среди упомянутых конференций: 35 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium (DDR, Ilmenau, October 22-25, 1990), International Conference Opto-92 (France, Paris, April 14-16, 1992), IEEE International Symposium on Electrical Insulation (USA, Arlington, Virginia, June 7-10, 1998), The 8th International Conference on Defects - Recognition, Imagine and Physics in Semiconductors (Japan, Narita, September 15-18, 1999), International Conferences Quantitative InfraRed Thermography QIRT'2000 (France, Reims, July 18-21, 2000), QIRT'02 (Croatia, Dubrovnik, September 24-27, 2002), QIRT'2006 (Italy, Padova, June 28-30, 2006), QIRT'2008 (Poland, Krakow, July 2-5, 2008), International Conference Thermosense-XXIII (USA, Orlando, April 16-19, 2001), VI Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2002" (Россия, Новосибирск, 23-26 сентября, 2002 г.), II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика-2005" (Москва, 21-24 июня, 2005 г.), The Sixth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure BGRS'2008 (Russia, Novosibirsk, June 22-28, 2008), Первая Международная Школа-семинар по фундаментальным проблемам микро- и наносистемной техники MNST-2008 (Россия, Новосибирск, 10-13 декабря 2008 г.), VII и IX Всесоюзные симпозиумы по электронным процессам на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводник-диэлектрик (Новосибирск, 1980 и

1988 г.г.), Всесоюзная конференция по прикладной физике "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 12-14 октября 1981 г.), Всесоюзная конференция по физике соединений А3В5 (Новосибирск, 7-9 июля 1981 г.), Всесоюзная школа по физике, химии и механике поверхности (Нальчик, 22-30 октября 1981 г.), V Всесоюзная школа-семинар по физике поверхности полупроводников (Одесса, 7-17 сентября 1982 г.), IV Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-99" (Новосибирск, 25-29 октября 1999), Конференция "Физические проблемы МДП-интегральной электроники" (Севастополь, 12-14 сентября 1983 г.) и другие.

Личный вклад автора: в диссертации представлены лишь те научные результаты, где личный вклад соискателя (постановка проблемы, постановка и проведение эксперимента, исследование, обработка и анализ экспериментальных результатов, разработка моделей, получение аналитических выражений, программирование, оформление публикаций и др.) в их получение был доминирующим. Разработка и изготовление полупроводниковых образцов, образцов тепловизоров и спектрометров осуществлялась при непосредственном участии автора силами большого коллектива ИФП СО РАН и ряда других организаций.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, 3 приложений и списка литературы. Общий объем составляет 298 страниц, работа проиллюстрирована 152 рисунками и 6 таблицами. Приложения занимают 4 страницы. Список литературы содержи г 331 источник, занимая 34 страницы текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи диссертационной работы, перечислены основные положения, вынесенные на защиту.

Первая глава содержит обзор литературы, кратко отражающий опубликованные материалы по некоторым основным направлениям диссертации. Рассмотрены работы, посвященные полупроводниковым ПЗИ, детекторам ИК излучения, спектрометрии, тепловидению. Обсуждены некоторые актуальные задачи науки и техники, нуждающиеся в разработке новых подходов к их решению. Сюда включены вопросы использования матричного тепловидения в экспериментальной физике, характериза-ции слоистых полупроводниковых структур, описаны дефекты на границах сращивания в многослойных полупроводниковых структурах и традиционные методы их обнаружения, уделено внимание использованию тепловидения в биомедицинских приложениях. Сформулированы результаты литературного обзора. В итоговых положениях отмечено то, что многие литературные источники обсуждены непосредственно в оригинальных главах диссертации, где такое обсуждение, сопровождающее полученные в диссертационной работе новые данные, представляется более уместным.

Вторая глава посвящена рассмотрению ряда физических процессов, протекающих в МДП-структурах на основе узкозояных полупроводников типа А3В5 и принци-

11

пиальных для функционирования фотоэлементов. Описаны экспериментальные образцы МДП-структур.

Исследованы и описаны основные проявления зарядовой нестабильности МДП-структур, инжекция и накопление заряда в диэлектрике. В области слабых электрических полей Е в диэлектрике (порядка 105 В/см) электронные ловушки могут воспроизводимо перезаряжаться в полях сравнимой величины, но противоположного знака В свою очередь, при Е> 106 В/см, наблюдается параллельный сдвиг петли гистерезиса вольт-фарадных характеристик (ВФХ), причем вернуть структуру в исходное состояние приложением поля противоположного знака за исключением особых случаев не удается. Помимо 1пАб, в исследования были включены структуры на основе 1п8Ь -родственного арсениду индия материала. Выявлен оптимальный для рассмотренных МДП-структур диэлектрик - пиролитическая двуокись кремния; именно он сейчас используются при создании многоэлементных детекторов на основе 1пА5.

На основе экспериментального изучения кинетики накопления заряда в МДП-структурах с разными диэлектриками и подложками (1пйЬ, 1пАз), а также измерения вольтамперных характеристик, построена общая зарядовая модель МДП-структуры. Результатами работы показано, что доминирующим механизмом инжекции и растекания заряда в структурах на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 при Т~ 80 К в сильном электрическом поле Е > 10б В/см является туннелирование электронов через барьер треугольной формы.

Для корректного определения напряженности поля в диэлектрике применен метод самосогласованного квантового расчета энергетических уровней и поверхностного потенциала в узкозонных полупроводниках типа А3В5, где ситуация осложнена наличием сильной непараболичности зоны проводимости и учетом вырождения электронного газа. Использование потенциала Кратцера для аппроксимации потенциала у поверхности позволила аналитически решить задачу о квантовании электронного газа в слое обогащения с учетом непараболичности зоны и вырожденной статистики, что привело к существенному упрощению итерационного процесса вычислений.

Для МДП-структур описан эмпирический метод определения их физических параметров (высота потенциальных барьеров на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика), регулирующих процессы зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле. Получено общее соотношение, описывающее временную зависимость напряжения плоских зон ¥РВ МДП-структуры и пригодное для случаев инжекции электронов как из полупроводника, так и из металла:

|£(0)| 1п

VFB(t) = VFm+ G(x) л

ln 1 + -

l h)

\

. 'о y

е1ОД| _ (1)

wEq WAB(X)E0

Щ

B(l) VFB0 = VFg при t = 0, E(0) = E при t = 0, при этом, для инжекции из полупроводника £(0) = (KG - VFBo)ld\ , из металла - £(0) = (VG - VFB0yd2 - (сг01 + аоп +

(Ут)!EqSi, ob], сг0)2, cr02 - поверхностная плотность заряда (с учетом знака), исходно встроенного в диэлектрические слои 1 и 2 и на их границе, соответственно; d\ = rf, + (/г,/¿2) d2, di =d2 + (£7.1 £\) dx; d\nd2 - толщина диэлектрических слоев 1 и 2; f, и ¿2 - их диэлектрическая проницаемость; Fc - напряжение на полевом электроде; вид функций В(х) и связан с особенностями пространственного распределения заряда в диэлектрике; коэффициент А - множитель в выражении для плотности инжекцион-ного тока Фаулера-Нордгейма [4]. Величина w характеризует кинетику захвата. Параметр Еа содержит сведения о высоте барьера и эффективной массе для модели тун-нелирования в квазиклассическом приближении.

Экспериментально обнаружен эффект снижения эффективности зарядовой ин-жекции при подаче серии коротких (г=10"4 с) импульсов напряжения по сравнению с одним импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды. Явление объяснено влиянием неравновесного обеднения поверхности InAs. При г, меньшем времени релаксации неравновесной МДП-емкости, заметная часть приложенного напряжения падает в подложке. Поскольку туннельный механизм экспоненциально зависит от напряженности поля, эффективность шшекции заряда из полупроводника в диэлектрик при многократном неравновесном обеднении резко падает.

В МДП-структурах с подложкой р-типа при Т « 80 К обнаружено, что отрицательные импульсы на полевом электроде сдвигают пороговое напряжение, при котором форма ВФХ превращается из низкочастотной в высокочастотную. Механизм эффекта был выяснен нетривиальным путем - посредством исследования латерального фотоэффекта на образцах с подложками n-типа. Он оказался обусловленным латеральным растеканием электронов вдоль поверхности низкотемпературного Si02.

В третьей главе рассмотрены арсенид-индиевые многоэлементные ФПУ, оптические (спектрометрические и тепловизионные) системы, созданные на их основе, описаны результаты исследования таких систем и даны образцы применения в задачах многоканальной спектрометрии.

МДП-структуры сформированы на гомоэпитаксиальном слое InAs, выращенном на сильнолегированной подложке. Модуль ФПУ в линейном и в матричном исполнениях представляет собой гибридную микросхему. В линейных структурах промежуточным звеном между ГпAs и кремниевым мультиплексором выступает лейко-сапфировый пьедестал, и засветка фотоэлементов осуществляется либо сквозь него, либо (в спектрометрическом исполнении) напрямую. В матричных модулях формата 128x128 элементов с шагом 50 мкм рабочие поверхности InAs и Si обращены навстречу друг другу, и засветка производится через тыльную сторону подложки InAs. Соединения в микросхемах выполнены с помощью встречных индиевых столбиков.

Тепловизор разработан на базе указанного гибридного модуля. Описано его устройство, особенности программного обеспечения, результаты исследования быстродействия (до 100 кадров в секунду), предельной температурной чувствительности (0.03 °С при температуре объекта 30 °С), пространственного разрешения, спектральной чувствительности. Экспериментально найдена параболическая зависимость сигнал-температурной характеристики и изложен способ индивидуальной температурной калибровки ПЗИ-ячеек. Истинное пространственное разрешение тепловизора оп-

ределялось нетрадиционным способом - с использованием в качестве источника излучения выходной щели монохроматора (нитеобразный световой зонд). Установлено, что уровень электронно-оптической связи фотоэлементов не превышает 4.5%.

Экспериментально полученная характеристика спектральной чувствительности приведена на рис. 1. График дополнен кривой пропускания атмосферы, отражающей условия, в которых функционируют арсенид-индиевые тепловизоры. Физический принцип формирования спектральной характеристики следующий. Длинноволновая граница Ауу определяется шириной запрещенной зоны эпитаксиального слоя 1пАз; коротковолновая (Яуи-) - оптической шириной запрещенной зоны 1пА5-подложки, высокий уровень легирования которой вызывает вырождение электронного газа и сдвиг уровня Ферми вглубь зоны проводимости (эффект Бурштейна-Мосса). Полученное значение температурного сдвига Хш (около (3.5ч-3.6)х1(Х4 эВ/К) вполне удовлетворительно согласуется с литературными данными.

2.8 3.0 3.2 3.4 Длина волны, мкм

Рис. 1. Характеристика спектральной чувствительности матричного тепловизора (1) и пропускание атмосферного воздуха на дистанции около 2 м (2).

Из рис. 1 следует, что в спектральном отношении матричный детектор является коротковолновым и исключительно узкополосным прибором. Критерием узкополосности предложено считать отношение ширины рабочего спектрального диапазона АЛ к средней рабочей длины волны 1«. Для рис. 1 диапазон ДА составляет (2.5-3.05 мкм), Я0 ~ 2.75 мкм, и ДЛ/Ао ~ 0.2. Свойство спектральной узкополосности данных ФПУ является принципиальным, тянущим за собой ряд важных следствий, подробно рассмотренных в диссертации. Короткие рабочие длины волн обеспечивают условия малых фонов, а потому позволяют полностью использовать время кадра для параллельного накопления фотозаряда в ячейках. Высокая контрастность изображения [1] детально представлена в Гл. 3 проведенными сравнительными расчетами. В итоге, показано, что ГпАэ вполне обоснованно можно рассматривать как оптимальный материал для применения в тепловизорах медицинского и иного назначений, где не требуется изучать объекты слишком низких температур.

Блок-схема многоканального быстродействующего спектрально-широкодиапазонного спектрометра с линейным 512-элементным арсенид-индиевым детектором приведена на рис. 2. Здесь ФПУ совмещено с монохроматором Ж-320 фирмы 1оЫп-Ууоп (Франция). Параметры спектрометра: рабочий диапазон (0.4ч-3.0) мкм; с решеткой 300 штр/мм длина измеряемого участка спектра 0.24 мкм, разрешение 1 см"1 на длине волны 3 мкм, быстродействие - не менее 100 спектров в секунду. Описаны

элементы оригинального программного обеспечения, учитывающего особенности МДП-ПЗИ фотоприемников. Выявлен ряд особенностей, отличающих данные многоканальные системы от одноканальных и выполненных на базе кремниевых микросхем.

Рис. 2. Блок-схема спектрометра с многоэлементным линейчатым детектором, установленным на открытом выходе монохро-матора.

Исследованы характеристики спектрометра. Для определения линейности фотоответа ПЗИ-ячеек использованы соображения о количественном изменении потока, проходя-

щего сквозь входную щель, при удалении от нее источника излучения. Экспериментально подтверждена линейная зависимость фотосигнала от интенсивности монохроматической засветки при работе ПЗИ вдали от насыщения потенциальной ямы. С помощью Не-Ые лазера показано, что спектральное разрешение прибора не подвержено ощутимому влиянию перекрестной электронно-оптической связи фотоэлементов.

16

ш е

е 1.2

0.4

0.0

N

О ^Сцр __11пАя

Рис. 3. Сглаженная спектральная характеристика чувствительности арсенид-индиевого фотоприемника вблизи длинноволнового края собственного поглощения, измеренная за один цикл считывания сигнала (около 5 мс).

2.90 2.95 3.00 3.05 3.10 3.15 3.20 Длина волны, мкм

Поведение длинноволнового края спектральной чувствительности прибора определяется краем поглощения эпитаксиального 1пЛ5. Соответствующая характеристика приведена на рис. 3. Она измерена за несколько миллисекунд с использованием самого же 512-элементного ФПУ. Коротковолновая граница чувствительности зависит от пропускания окна криостата и уровня легирования оловом пленок 1п203, служивших материалом для полевых электродов МДП-структур.

Приведены результаты исследования характеристик соответствующих материалов.

Получены спектры пропускания различных образцов (атмосферный воздух с варьируемой влажностью, жидкая вода, пары дихлорметана, слюда) и эмиссионные спектры гелий-неонового лазера и неона (в видимой и ПК областях спектра). Показано хорошее соответствие известным литературным данным.

В конце Гл. 3 описан новый метод измерения и визуализации двумерных спектров. В качестве детектора здесь служит тепловизионная или видеокамера. Визуализирующий спектрометр позволяет в реальном масштабе времени проводить анализ спектров, неоднородных в направлении, нормальном к направлению дисперсии. Отметим, что фотоприемная матрица здесь размещена за пределами фокальной плоскости монохроматора. Работоспособность такой системы продемонстрирована на примерах измерения участков спектра пропускания атмосферного воздуха. Обоснована высокая практическая значимость тепловизионных визуализирующих спектрометров на основе InAs, несмотря на узкий спектральный интервал их чувствительности.

В четвертой главе исследованы физические процессы в фоточувствительных МДП ПЗИ-элементах на основе InAs, работающих в составе многоканальных спектрометрических и тепловизионных фотоприемных устройств. Изучено влияние физических параметров, конструктивных особенностей и условий функционирования матричных ПЗИ-фотоприемников, а также характеристик принимаемого излучения, на предельное температурное разрешение InAs ИК детекторов, работающих в теплови-зионном режиме. Последнее описывается величиной разности температур, эквивалентной шуму (или NETD - noise equivalent temperature difference).

Более детально, в Гл. 4 представлено следующее. Обнаружен и подробно исследован сильный эффект избыточной латеральной фоточувствительности в многоэлементных полупроводниковых структурах и зависимость последней от особенностей построения ПЗИ-элементов. Экспериментально изучено влияние напряжения смещения на поверхностное распределение локального фотоотклика в МДП-ПЗИ ячейках, частично экранированных от латеральной засветки. Экспериментально и путем математического моделирования исследовано поведение фотоответа МДП-ПЗИ-ячеек многоэлементных линейчатых структур при облучении от источника с динамическими пространственно-временными характеристиками (при нестационарной засветке и в режиме быстро пробегающего светового пятна). Рассмотрены проявления нерегулярных пиксел-соизмеримых дефектов в гибридных фоточувствительных микросхемах. Описан метод импульсной лазерной коррекции in-situ, позволивший существенно снизить уровень шума в многоканальных спектрометрах на основе InAs и, тем самым, увеличить фоточувствительность ПЗИ-детекторов. Рассмотрен механизм перекрестных инжекционных наводок в многоэлементных линейных ПЗИ с последовательной адресацией и предложен новый способ считывания сигнала, обеспечивающий существенное снижение их уровня.

Специальное внимание уделено случаям, объединенным в общую категорию -предельные, а именно, отражающие ситуацию, когда детектор ФПУ функционирует либо на пределе физических ограничений, либо в условиях, существенно отличающихся от стандартных или идеальных. Принципиальным фактором здесь выступает конечность (ограниченность) зарядовой емкости неравновесной потенциальной ямы.

Выявлено сильное влияние этого фактора на выбор других параметров, существенных для работы фоточувствительной структуры. Аналитически описана кинетика накопления заряда в неравновесной ПЗИ-ячейке с учетом синхронных термо- и фотогенерации носителей. Получено выражение для полного числа носителей, рожденных за время накопления 1асс:

^асс

ХША'асс) = (ЛГ0 - ттгЧ) [ 1 ■- (1 ■-1) Гг ] • (2)

Здесь N0 - максимальная накопительная емкость ПЗИ-ячейки, тг - время темно-вой релаксации неравновесной емкости МДП-структуры, Р - темп фотогенерации носителей, г) - предельный коэффициент заполнения потенциальной ямы ПЗИ-ячейки на краю ее динамического диапазона. Особенность формулы (2) в том, что она, описывая процесс вполне адекватно, содержит минимум параметров и, причем, все они представляют собой либо измеряемые, либо рассчитываемую величины. Также получено выражение, подобное (2), учитывающее диффузионное подтекание носителей в потенциальную яму из окружающих ее периферийных областей.

Вопреки устоявшимся представлениям, выявлена важная роль коротковолновой границы спектральной чувствительности Ацг тепловизионного ПЗИ-детектора. Исследовано влияние на N£10 апертуры холодной диафрагмы, атмосферного поглощения, положения ПЗИ-ячейки на поле матрицы и спектрального коэффициента излучения источника. В этой части работы получено много практически важных результатов. Один из лих, к примеру, обращает внимание исследователей на то, что объекты, легко и привычно измеряемые тепловизором в лабораторных атмосферных условиях, могут оказаться неизмеримыми в условиях вакуума.

Для прецизионного исследования локальных и интегральных статических и динамических координатных характеристик чувствительности ячеек многоэлементных детекторов разработано и создано устройство, формирующее сканирующее ИК пятно диаметром около 20 мкм при точности позиционирования ± I мкм с возможностью циклического перемещения этого ИК зонда со скоростью до 7 сантиметров в секунду в плоскости фотоприемника. С помощью зонда обнаружен и подробно исследован сильный (до 60-70 % полезного сигнала !) краевой эффект латеральной фоточувствительности ПЗИ-элементов, обусловленный диффузионным подтеканием фотоносителей под полевой электрод и контактные площадки. Найден диапазон А V напряжений смещения, внутри которого вклад периферийного фотоответа незначителен и почти не искажает пространственную разрешающую способность многоэлементных ПЗИ. Путем экранирования краевых областей в откорректированных микросхемах была практически полностью решена проблема латеральной фоточувствителыюсти (рис. 4).

Описана и программно реализована математическая модель работы ПЗИ при динамической засветке элементов. Адекватность результатов расчета подтверждена экспериментально с использованием динамического ИК зонда.

Обнаружено, что в линейчатых и матричных структурах МДП-элементы, не имеющие гальванической связи с ячейками мультиплексора, существенно влияют на фотоответ соседних ячеек, который при этом заметно увеличивается. С помощью ИК

зонда изучена "анатомия" избыточного фотоответа и доказано, что его природа состоит в диффузионно-обусловленном пополнении соседних потенциальных ям ПЗИ "чужими" фотоносителями. Малые скопления отсоединенных или аномально шумящих элементов выделены в класс пиксел-соизмеримых дефектов. Проанализировано их поведение во времени и влияние на работоспособность оптической системы.

1,0

0,6-

0,4

0,2

0,0 -I -200

/ % ■ ■?

и I

1

г к

¡ч

-100

100 200 Координата, мкм

Рис. 4. Полное устранение латеральной фоточувствительности МДП-ПЗИ элементов путем экранирования периферии. Координатные характеристики измерены в направлении поперек линейки. 1: элемент исходной конструкции (справа - эффект латеральной фоточувстви-телытости). 2-4: ячейка новой конфигурации в разных продольных сечениях.

12

| 10

3

%

гс о. с го X

8-

6-

4-

2-

0-

До коррекции После коррекции

п а

1

20

40

60

140

Рис. 5. Эффект подавления шума в каналах спектрометрического модуля ФПУ 1x128.

Выявлено, что в составе гибридных линейных микросхем присутствуют как нормальные, малошумящие, так и аномальные элементы, напряжение шума кото-

80 100 120 Номер ячейки

рых превышает обычный уровень в 7-10 раз. Выяснено, что источником шума является шум сопротивления переходных контактов в зоне индиевых столбиков. Последнее было установлено экспериментально оригинальным способом - путем локального (микронных размеров) прицельного воздействия импульсным лазерным излучением на участки контактов, скрытых от возможности прямого механического доступа.

Описано несколько моделей восстановления контакта при лазерном облучении. Высокая эффективность коррекции (рис. 5) достигнута в режиме ш-иШ, когда процедура проводилась на ФПУ, подключенном к питанию. Требуемое для достижения

эффекта время экспозиции позволило определить глубину залегания дефекта.

Проанализированы источники перекрестных наводок, обусловленные физическим принципом работы многоэлементных ПЗИ с последовательным считыванием сигнала и связанные с перетеканием неосновных носителей в соседние потенциальные ямы в период импульса инжекции. Теоретически рассмотрен процесс перекрестной наводки в модели нестационарного изображения. Предложен и обоснован на разных примерах новый эффективный способ считывания сигнала, обеспечивающий снижение уровня перекрестных наводок в многоэлементных ПЗИ.

Пятая глава целиком посвящена коротковолновому спектрально-узкополосному матричному тепловидению и рассмотрению основанных на нем новых экспериментальных методов физических исследований, развитых с использованием арсенид-индиевых МДП-ПЗИ фотоприемников.

В '■4

Вд ШШВшт

Рис. 6. Принцип измерения диаграмм направленности излучения (внизу) и примеры (двумерные и трехмерные) тепловых портретов излучения комбинированных источников (вверху): сверху - 4 ИК диода (по краям) + полупроводниковый лазер (в центре), снизу - лазер выключен.

Наиболее адекватно метод тепловидения применим либо когда поверхностная тепловая картина формируется на тонком образце, либо когда тепловой процесс развивается непосредственно на поверхности тела. Первый случай получил воплощение в новом методе определения диаграмм направленности источников излучения, который проиллюстрирован на рис. 6. Поток излучения направляется на тонкий экран-индикатор, имеющий низкую теплопроводность и хорошо поглощающий в широком спектральном диапазоне (черное тело) или в заведомо известном спектральном диа-

19

пазоне излучения источника. Низкая теплоемкость экрана приводит к быстрому разогреву областей, куда попадает излучение; разогрев выше там, где поглощенная энергия больше. Температурный "портрет" регистрируется тепловизионной камерой. Получена согласованная с результатами эксперимента простая формула восстановления энергетической освещенности 1(Х, У) экрана-индикатора в точке (X, 7) из характеристик температурного поля:

1{Х, ¥) = 2(й + Г3 )[Т(Х, У) - Г ],

где Т{Х,У) - локальная температура экрана, Та - температура окружающей среды, к -коэффициент теплоотдачи, а - постоянная Стефана-Больцмана. Описанный конвертер дает возможность с помощью тепловизора исследовать мощные и низкоинтенсивные источники ЭМ излучения практически всех диапазонов длин волн, а также потоки массивных частиц. Недавно предложенный метод был с успехом применен для визуализации диаграмм пространственного распределения терагерцового излучения лазера на свободных электронах (рабочий диапазон длин волн 120-180 мкм) [5, 6].

Второй случай реализован при изучении адсорбции молекул паров воды на поверхностях материалов. Экспериментально и достоверно зарегистрированное тепло-визионным методом выделение теплоты адсорбции было образно названо "эффектом теплового пламени" (рис. 7). На промышленных тканях разного состава, использованных в качестве экспериментальных проб, в динамическом режиме измерений продемонстрировано существенное различие адсорбционной способности их поверхностей, вызывающей вариацию температурного эффекта на порядок величины. Обоснована промышленная применимость результатов и обращено внимание на целесообразность тепловизионного контроля для получения корректных изотерм адсорбции.

Рис. 7. Выделение теплоты при адсорбции молекул воды на поверхности хлопчатобумажной ткани после опускания края лоскута в жидкость ("эффект теплового пламени"). Указано время после погружения.

На основе уравнения теплового баланса проведена аналитическая оценка чувствительности тепловизионного метода к регистрации тепловых процессов при адсорбции. Получено простое соотношение между поверхностной концентрацией и адсор-бата и соответствующим увеличением температуры ДТ адсорбента:

п = сф Л'аД77(?7 гц) ,

где с - удельная теплоемкость, ¿-толщина, р - плотность адсорбирующей подложки, г - удельная теплота адсорбции, ц - молекулярная масса адсорбата, NА — число Аво-гадро, 11 - показатель (1 или 2) числа адсорбирующих поверхностей. Найдено, что те-пловшионньм методом можно исследовать кинетику начальных стадий адсорбции из газовой фазы при эффективном покрытии поверхности адсорбента пленкой молекул адсорбата с эффективной толщиной всего десятые и сотые доли монослоя (!).

Описан новый метод измерения спектрального коэффициента излучения £ (коэффициента черноты) поверхностей, основанный на использовании внешнего источника теплового излучения и тепловизора с узкой спектральной полосой чувствительности. Этим методом определены значения е одиннадцати образцов разнообразных искусственных и естественных тканей вблизи длины волны 3 мкм.

Предложены и описаны методы спектрально-узкополосной тепловизионной дефектоскопии в полупроводниковой технологии. Продемонстрирована возможность тепловизионной инграскопии трещин в полупроводниковых слитках. Подробно представлен метод контроля скрытых границ раздела контактирующих поверхностей в многослойных полупроводниковых структурах. При всегда выполненном в рассматриваемых тепловизорах критерии узкополосности АЛ « До (см. Гл. 3) можно наблюдать четкую интерференционную картину в проекции полостей микронных толщин между пластинами, если облучать слоистую структуру от источника сплошного спектра и регистрировать термо-интерферограмму в режимах на отражение и/или на просвет (рис. 8). Исследованы разные типы слоистых структур.

Рис. 8. Тепловизионные интерферограммы полупроводниковых структур, полученных методом прямого сращивания, где присутствуют скрытые дефекты на границах раздела пластин. Изображения слева получены по оптической схеме "на просвет", справа - "на отражение".

Приведены результаты тепловизионной дефектоскопии готовых изделий полупроводниковой электроники - бескорпусных кремниевых высоковольтных диодов. При обратном смещении в средней части и на периферии ряда диодов возникали локальные участки избыточного излучения в ИК области спектра. Началу свечения (по мере увеличения напряжения) соответствовало возрастание тока утечки через диод, что позволило связать эффект с возникновением токовых шнуров,

Ш

№ [3

вызывающих локальный разогрев. Травление металла в зоне свечения не устранило эффект, но с помощью дополнительной ИК оптики дало возможность прецизионно выявить микро-топографию излучающего пятна, обнаружив в его пределах три токовых шнура.

Кратко описаны результаты применения рассматриваемых тепловизоров к решению задач экспериментальной механики, полученные совместно с сотрудниками ИФТПС СО РАН.

В ряде тепловизионных экспериментов объектом исследования выступала поверхность живого организма (организма человека). Физические свойства такой поверхности определяются гидродинамическими, теплофизическими, оптическими и другими характеристиками кожи и приповерхностных тканей. Уникальные проявления живого объекта вскрыли ряд существенных "подводных камней" матричного тепловидения, позволили внести усовершенствования в техническую и программную части арсенид-индиевых приборов, глубже понять ряд тонкостей, связанных с функционированием МДП-структур, работающих в режиме неравновесного обеднения в составе многоэлементных ФПУ. При этом и сами "экспериментальные образцы", изучавшиеся с использованием столь чувствительной и быстродействующей теплови-зионной аппаратуры, также представляли немалый академический интерес. В ходе тепловизионных исследований был обнаружен ряд новых, ранее неизвестных, проявлений, характерных для организма человека, что позволило пополнить новыми знаниями, экспериментальными методами и результатами биологическую науку. Применение спектрально-узкополосного матричного тепловидения для задач физиологии человека представлено на примерах изучения механизмов терморегуляции. С высоким пространственным разрешением (56 мкм х 56 мкм на поверхности объекта) исследованы отдельные кожные железы и их ограниченные группы. Удалось зарегистрировать температурное поле одиночной потовой железы и пронаблюдать кинетику его изменения в реальном масштабе времени. Количественная картина процесса представлена на рис. 9.

Семилетнее прицельное наблюдение за одним и тем же участком кожи разных людей позволило с помощью тепловидения впервые обнаружить новое природное явление, выраженное в стабиль-316 -I - ■ ной гиперфункции отдельных

л потовых желез и их определенных групп, которому было при-31-24 Ш&/Ш ...... 132 своено имя стабильный точеч-

ный гипергидроз.

о

о

га а

£ га

30.8

30.4

ху ^ Время, с:

— 007

---- 0.66

...... 1.32

Д ', -.У.1'.' А;". 1Д / •';/!/ ------ 2.05

------- 2.77

........ 3.57

----- 5.02

------- 6.74

- 10.17

"V ----15.05

55 60 65 70 75 80 Номер пиксела в строке матрицы

Рис. 9. Кинетика изменения температурного поля в окрестности устья выводного протока одиночной потовой железы (наблюдение в реальном масштабе времени).

Впервые получены тепловизионные научные результаты исследований в сфере немедицинской косметологии. Определен список физических и физиологических факторов, обосновывающий адекватность применения метода дистанционной термографии в этой области. Обосновано применение тепловидения в системе телемедицины. В условиях лаборатории ИФП СО РАН проведены модельные эксперименты, продемонстрировавшие такую возможность. В октябре 2004 г. в Москве на Научной сессии ОИТ и ВС РАН совместно с ОМН РАН и ОБН РАН соискателем сделан научный доклад на эту тему.

В шестой главе приведено описание новых эмпирических и математических подходов к количественному анализу температурных полей. Основное внимание уделено анализу гетерогенных термограмм, характеризующихся резко неоднородным распределением температуры по полю изображения. Установлено, что такие картины возникают, в частности, на поверхности тела человека при физических и общих тепловых нагрузках на организм, но важно, что они периодически встречаются и в ходе обычного обследования людей. К началу диссертационных работ медицинская тепло-визионная диагностика не располагала количественными методами анализа и интерпретации резко гетерогенных термограмм.

Представлено несколько подходов к количественному описанию гетерогенных термограмм. Один из них основан на концепциях математической статистики. Значение температуры Т-ц, соответствующее пикселу с номером (1,7) двумерного матричного изображения, рассматривается как случайная величина в совокупном ансамбле, включающем десятки (а для больших матриц - сотни) тысяч таких дискретных значений. В биомедицинских приложениях неоднородная поверхностная тепловая картина отражает состояние открытой неравновесной термодинамической системы, которую представляет организм человека. В норме полученные интегрально по всей поверхности координатно-температурные статистические характеристики (например, функция распределения Т^) и рассчитанные по ним параметры статистики определяют некоторую базовую линию, отклонения от которой могут свидетельствовать о тех или иных нарушениях. В отличие от классического анализа термограмм, статистические характеристики не замыкаются на частные элементы теплового рисунка. Аккумулируя в себе всю ту же полную информацию об объекте, они отражают состояние исследуемой системы наиболее естественным языком природы - языком термодинамики и статистической физики.

Описана процедура регистрации и поэтапной обработки термограмм с использованием статистического подхода, разобраны источники артефактов, представлен ряд методологических особенностей экспериментальной статистической термографии. Показано, что плодотворным приемом при анализе неоднородных тепловых полей служит построение гистограмм распределения температуры Тц в пределах кадра или его фрагментов, а высокоинформативными характеристиками гистограмм применительно к исследованию тепловых картин на коже человека являются средняя поверхностная температура и среднее квадратичное отклонение температуры. Выбор интервала дискретизации ДТ гистограммы должен осуществляться с учетом присущего каждой фоточувствительной ячейке шума 57},{/). В диссертационных исследованиях отношение АТ к усредненному по матрице среднему квадратичному отклонению вели-

чины находилось в пределах 4-8, что позволило уверенно регистрировать изменения, на изучение которых была нацелена эта часть работы.

Оригинальные экспериментальные материалы получены при исследовании поверхности тела человека, подверженного физическим нагрузкам на велотренажере и общим тепловым нагрузкам в условиях сауны. Наиболее значимые результаты данных исследований вошли в опубликованную диссертантом монографию и в зарубежный обзор, получив отклик в мировой научной литературе [7, 8]. На рис. 10 продемонстрирована трансформация гистограммы распределения поверхностной температуры под влиянием общей гипертермии. Видно, что после теплового воздействия центр тяжести характеристики переносится вправо. Резкий спад в области высоких температур говорит о том, что организму существенно не хватает скорости отвода тепла по механизму испарения (потоотделения), и происходит интенсивное расширение сети терморегуляторных поверхностных сосудов. Обнаружено, что характерным свойством температурных гистограмм поверхности тела в норме (без нагрузки) является их симметричная форма с одним максимумом. При этом распределение температуры удовлетворительно описывается функцией нормального (гауссова) распределения, что продемонстрировано в верхней части рис. 10.

2 (Г-Г0)2

35 36 Температура, °С

1500

1000

500

после сауны

31

32

33 34 35 36 Температура, °С

37

Рис. 10. Трансформация гистограммы распределения температуры тела при перегреве организма. Т0, константы нормального (гауссова) распределения. Здесь Т0 я 33.58°С, V/ и 1.03°С.

Замечено, что из гетерогенной термограммы можно получить относительно гомогенную (плавную) путем простой перестановки пикселов, а потому и резко гетерогенная, и достаточно диффузная для восприятия тепловые картины могут давать одни и те же гистограммы. Этим показано, что степень гетерогенности изображения должна рассматриваться, как независимая информативная характеристика теплового поля. Такая характеристика требует разработки методов ее количественного описания. Поскольку интегральная гетерогенная картина на поверхности тела формируется путем наложения проекций заглубленных источников повышенного тепловыделения (в основном, сосудов), актуальным является поиск корреляции между степенью гетерогенности температурной картины и состоянием организма. Описаны и опробованы три алгоритмических подхода к количественному описанию степени гетерогенности: подход, основанный на Фурье-анализе изображения; подход, использующий вейвлет-ные преобразования Хаара, и прямой статистический анализ распределения поверхностных локальных очагов гипертермии ("метод затопления трехмерного теплового ландшафта").

Приведены результаты трехмерного компьютерного моделирования теплопере-носа в живых тканях, основанные на решении уравнения передачи биологического тепла Пеннеса, с целью изучения применимости тепловидения для исследования процессов в средах с изотропной конвекцией.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Решена крупная научная проблема, состоящая в разработке и развитии базовых физических принципов построения спектрально-широкодиапазошюй многоканальной спектрометрии и коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения на основе использования фоточувствительных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур с зарядовой инжекцией.

2. Подробно изучены физические процессы и явления, протекающие в МДП-структурах и фотоэлементах на основе узкозонных полупроводников типа А3В51пБЬ и 1пАз, что было направлено на построение на новой элементной базе многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения. При этом

а) установлено, что доминирующим механизмом при инжекции и растекании заряда в МДП-структурах при Т з 80 К в сильном электрическом поле Е > 106 В/см является механизм туннелирования электронов; адекватным приближением для количественного описания туннелирования при этом служит барьер треугольной формы;

б) обнаружен эффект снижения эффективности зарядовой инжекции в МДП-структурах при подаче серии коротких импульсов напряжения по сравнению с одиночным импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды; явление объяснено влиянием неравновесного обеднения поверхности 1пАз;

в) обнаружен эффект латерального растекания заряда (электронов) по поверхности низкотемпературного пиролитического ЗЮ2; приводящий к созданию охранного кольца на образцах р-типа и увеличению фотоответа на образцах п-типа;

г) с помощью разработанного прецизионного автоматизированного ИК зонда

обнаружена высокая (на уровне десятков процентов) избыточная латеральная фото-чувствитсльность ПЗИ-элемеитов, обусловленная диффузионным подтеканием дырок, фотогенерированных в краевых областях ячейки, под полевой электрод и контактные площадки;

д) показано, что при отсоединении фоточувствительной ячейки от ячейки мультиплексора на соседних площадках возникает избыточный фотоответ, обусловленный подтеканием "чужих" фотоносителей; методом ИК-зондирования исследована "анатомия" избыточного фотоответа.

3. Достоверно показано, что арсенид-индиевые фоточувствительные ПЗИ-элементы со структурой МДП можно полноценно использовать в многоканальных линейчатых и матричных ФПУ, предназначенных для широкодиапазонной спектрометрии и спектрально-узкополосного тепловидения. При этом доказано, что 1пАб может рассматриваться как оптимальный материал для применения в тепловизорах медицинского и иного назначений, когда не требуется изучать объекты слишком низких (например, меньших 10°С) температур.

4. Разработан новый метод измерения фундаментальных физических параметров МДП-структур, основанный на анализе их зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле. Экспериментально определены значения параметров МДП-структур на основе 1п5Ь и 1пАб - высота потенциальных барьеров на границе металл-диэлектрик, полупроводник-диэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек в диэлектрике, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика. Установлено, что с учетом поверхностного изгиба зон 1пАз в сильном электрическом поле высота потенциального барьера для электронов на границе ГпАэ-БЮг составляет 3.33.4 эВ для значения эффективной массы электрона в барьере (0.55-0.50)тл где т0 -масса свободного электрона.

5. Выявлены источники избыточного шума, характерные для каналов линейчатых гибридных микросхем; разработан и реализован метод его эффективного подавления, основанный на использовании импульсной лазерной коррекции т-я/м.

6. Для инфракрасной (до 3.05 мкм) и, одновременно, видимой (от 0.5 мкм) областей спектра разработан и практически реализован метод многоканальной спектрометрии; для работы в данном диапазоне впервые созданы широкополосные многоканальные спектрометры на базе арсенид-индиевых МДП-ПЗИ многоэлементных линейных детекторов излучения.

7. На базе матричного арсенид-индиевого МДП-ПЗИ фотоприемника коллективно при участии соискателя разработан тепловизор, доведенный до уровня промышленного образца, рекомендованный Минздравом РФ к серийному производству и применению в медицинской практике и внесенный в Государственный реестр изделий медицинского назначения и медицинской техники.

8. Разработано и освоено новое направление в экспериментальной физике - коротковолновое (вблизи длины волны 3 мкм) спектрально-узкополосное матричное тепловидение - и всесторонне подтверждена его высокая информативность.

9. Показано, что коротковолновое спектралыю-узкополосное тепловидение может быть с успехом использовано как инструмент исследования и средство измерений физических величин в различных областях физики - экспериментальной механи-

ке, лазерной физике, физике полупроводниковых приборов, физике живых систем и т. д.

10. На основе применения в тепловидении коротковолновых спектрально-узкополосных ИК детекторов разработаны и реализованы новые аналитико-экспери.ментальные методы физических исследований (определение спектрального коэффициента излучения поверхности, диаграмм направленности источников излучения, дефектоскопия скрытых полостей в слоистых системах и др.).

11. Расширены экспериментальные возможности тепловидения в плане количественного изучения новых для этого метода объектов и природных явлений (адсорбция, перспирация, распределение энергии в потоке ЭМ излучения и др.), а также в плане математической обработки температурных полей; осуществлен количественный подход к анализу многих тепловых явлений, ранее представленных в тепловидении лишь на уровне качественного описания термограмм (особенности процессов теплообмена и терморегуляции живых организмов и др.).

12. Визуализирован и исследован тепловой эффект, связанный с адсорбцией молекул газа на твердой поверхности и названный "эффектом теплового пламени". Обнаружено его изменение в пределах порядка величины. Оценено, что с помощью матричного тепловидения возможно изучать кинетику начальных стадий адсорбции при эффективном покрытии поверхности адсорбента слоем молекул адсорбата с эффективной толщиной всего десятые и сотые доли монослоя. Этот результат открывает широкие перспективы перед тепловидением как экспериментальным методом для его применения в физике поверхности твердого тела, химической и молекулярной физике.

13. Обнаружен ряд новых температурных проявлений при тепловизионном исследовании кожи человека как физического объекта живой природы:

а) при изучении кожи лица в ИК диапазоне обнаружена аномальная нестабильность температуры в области носа (увеличение за несколько минут на 9 градусов при сохранении почти неизменной на остальной площади); обращено внимание на возможное использование данного явления применительно к медицине;

б) зарегистрировано новое явление природы - стабильный точечный гипергидроз;

в) установлено, что физические и общие тепловые нагрузки на организм приводят к резкой гетерогенности тепловой картины поверхности тела;

г) обнаружено, что характерная для организма в спокойном состоянии функция распределения его поверхностной температуры близка к функции нормального распределения; показано, что фундаментальной задачей является анализ трансформаций гистограмм поверхностного распределения температуры и поиск обуславливающих эти трансформации причин.

14. Обоснована и продемонстрирована адекватность применения методов математической статистики для анализа тепловых изображений, получаемых в сфере биомедицинского тепловидения.

15. С целью количественного описания степени гетерогенности термограмм предложены и опробованы математические методы, основанные на Фурье-анализе теплового изображения, вейвлетных преобразованиях Хаара и прямом статистическом анализе распределения поверхностных локальных очагов гипертермии. Показана адекватность разработанного метода компьютерного анализа тепловых полей.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии:

1. Вайнер Б.Г. Матричное тепловидение в физиологии : Исследование сосудистых реакций, перспирации и терморегуляции у человека. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 96 с.

2. Система кровообращения и артериальная гипертония: биофизические и гене-тико-физиологические механизмы, математическое и компьютерное моделирование/ Авторы: Багаев С.Н., Бибердорф Э.А., Блохин A.M., Вайнер Б.Г., Евшин И.С., Захаров В.Н., Иванова JI.H., Колпаков Ф.А., Леонова Т.И., Маркель A.JL, Медведев А.Е., Москалев АС., Орлов В.А., Панов С.В., Попова Н.И., Самсонов В.И., Семисалов Б.В., Тар-ков М.С., Трохинин Ю.Л., Фомин В.М., Фомин Ю.Н., Шарипов Р.Н., Якобсон Г.С./ Отв. ред. Л.Н.Иванова, АМ.Блохин. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2008,252 с. - с. 205-249.

3. Body temperature regulation/ The authors: B.G.Vainer, A.D.Flouris, S.S.Cheung, S. Yahav, D.Shinder, et al./ Austin B. Cisneros and Bryan L. Goins, Editors. - Nova Science Publishers, Inc., New York, 2009. - 360 pp.

Статьи в рецензируемых международных журналах:

4. Vainer B.G. Focal plane array based infrared thermography in fine physical experiment. - J. Phys. D: Appl. Phys., 2008, vol. 41, no. 6, p. 065102 (12 pp.).

5. Vainer B.G. Quantitative characterization of vapour adsorption on solid surfaces and estimation of emissivity of solids using narrow-band short-wave infrared thermography.

- Quantitative Infrared Thermography (QIRT Journal), 2008, vol. 5, no. 2, p. 175-193.

6. Vainer B. G., Moskalev A. S. Heterogeneous thermograms: the methods of attack.

- Acta Bio-Optica et Informática Medica, 2008, vol. 14, no. 2, p. 143-144.

7. Vainer B.G. FPA-based infrared thermography as applied to the study of cutaneous perspiration and stimulated vascular response in humans. - Phys. Med. Biol., 2005, vol. 50, p. R63-R94.

8. Vainer B. G. Limitary operation conditions affecting CID short-wave infrared detector performance. - Meas. Sci. Technol., 2004, vol. 15, no. 5, p. 821-830.

9. Vainer B. G. Treated skin temperature regularities revealed by IR thermography. -Proc. SPIE, 2001, vol. 4360, p. 470-481.

10. Vainer B. G. Excess lateral photo-response caused by technological and constructive defects in the IR-sensitive hybrid microcircuits. - J. Cryst. Growth, 2000, vol. 210, no. 1-3, p. 356-360.

11. Vainer B. G., Kamaev G. N., Kuryshev G. L. Application of the narrow spectral range InAs-FPA-based IR camera for the investigation of the interface voids in silicon wafer bonding. - J. Cryst. Growth, 2000, vol. 210, no. 1-3, p. 351-355.

Статьи в рецензируемых российских журналах:

12. Вайнер Б. Г. Фундаментальные проблемы функционирования многоэлементных ПЗИ-фотоприемников на основе узкозонных полупроводников. - Электроника Сибири, 2008, № 3, с. 87-94.

13. Вайнер Б. Г. Тепловидение и спектрометрия, реализованные с использованием арсенид-индиевых многоэлементных ПЗИ-фотоприемников. - Электроника Сибири, 2008, № 3,2008, с. 95-102.

14. Маркель А. JL, Вайнер Б. Г. Инфракрасная термография в диагностике рака молочной железы: обзор зарубежной литературы. - Терапевтический архив, 2005, т. 77, №10, с. 57-61.

15. Вайнер Б. Г. Тепловизионный мониторинг в косметологии. - Инновации, 2005, №7, с. 119-122.

16. Вайнер Б. Г. Влияние напряжения смещения на поверхностное распределение локального фотоотклика в МДП ПЗИ-ячейках, частично экранированных от латеральной засветки. - Автометрия, 2002, т. 38, № 6, с. 88-104.

17. Лукин Е. С., Иванов А. М., Вайнер Б. Г. Тепловизионные исследования в экспериментальной механике. - Дефектоскопия, 2003, № 6, с. 70-77.

18. Вайнер Б.Г. Коротковолновые матричные тепловизоры - оптимальное средство медицинской диагностики и контроля. - Больн. лист, 2002, № 9, с. 14-21.

19. Вайнер Б. Медицинское тепловидение высокого разрешения: новые возможности. - Врач, 1999, № 2, с. 25-27.

20. Вайнер Б. Матричные тепловизионные системы в медицине. - Врач, 1999, № 10, с. 30-31.

21. Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Вайнер Б.Г., Гузев A.A., Базовкин В.М., Строганов A.C., Субботин И.М., Захаров И.М., Ефимов В.М., Постников К .О., Ли И.И., Валишева H.A., Панова З.В. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128х 128 для диапазона длин волн 2.8-3.05 мкм. - Автометрия, 1998, № 4, с. 5-12.

22. Вайнер Б. Г., Костин В. В., Курышев Г. Л. Увеличение фотоответа в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) после приложения сильного электрического поля. - ФТП, 1983, т. 17, № 10, с. 1885-1886.

23. Вайнер Б. Г., Курышев Г. Л. Механизмы зарядовой нестабильности в МДП-структурах на основе InSb с диэлектриками, синтезированными при низкой температуре. - Микроэлектроника, 1981, т. 10, № 4, с. 327-332.

24. Вайнер Б. Г., Курышев Г. Л. Определение высоты барьера А1-А1203 и положения центроида накопленного заряда в МДП-структурах на основе InSb. - Микроэлектроника, 1981, т. 10, № 4, с. 367-369.

25. Вайнер Б. Г., Колосанов В. А., Курышев Г. Л. Накопление заряда в МДП-структурах на основе InSb. - ФТП, 1979, т. 13, № 4, с. 735-740.

26. Вайнер Б. Г., Колосанов В. А., Курышев Г. Л. Распределение заряда в МНОП-транзисторе на кремнии при наличии градиента электрического поля вдоль поверхности. - Микроэлектроника, 1976, т. 5, № 5, с. 424-429.

Патенты и авторское свидетельство:

27. Вайнер Б. Г., Камаев Г. Н., Курышев Г. Л. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей (варианты). Патент РФ № 2187173 на изобретение, выд. 10.08.2002 г. Приоритет от 18.05.99 г.

28. Вайнер Б.Г., Ли И.И., Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Базовкин В.М., Захаров И.М., Гузев A.A., Субботин И.М., Ефимов В.М., Валишева H.A., Строганов A.C. Матричный тепловизор. - Патент РФ № 2152138 на изобретение, выд. 27.06.2000 г. Приоритет от 30.11.98 г.

29. Беленький В. Я., Вайнер Б. Г. Метод оценки эффективности действия косметических средств и процедур. - Патент РФ № 2142634 на изобретение, выд.

10.12.1999 г. Приоритет от 15.09.97 г.

30. Вайиер Б. Г. Способ считывания сигнала в многоэлементном линейном приборе с зарядовой инжекцией. Авт. свид. на изобретение № 1639349, 1990 г. Приоритет от 16.06.1989 г. Опубл. в RU БИПМ, № 12,27.04.2000, с. 446.

Материалы (труды) международных конференций:

31. Vainer В., Moskalev A. Heterogeneous thermograms: the methods of attack. - In: QIRT2008, 9-th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, Proceedings, July 2-5, 2008, Krakow-Poland. - Edited by Boguslaw Wiecek. - Poland, Technical University of Lodz, Institute of Electronics, 2008, p. 157-164.

32. Tarkov M. S., Vainer B. G., Evaluation of a thermogram heterogeneity based on the wavelet Haar transform. - IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2007). Proceedings. - Tomsk: The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch. Russia, Tomsk, April 20-21, 2007, p. 145-152.

33. Ivanov A. M., Lukin E. S., Vainer B. G. Evaluation of storage energy of the constructional steel during plastic deformation. - In: QIRT'2006, 8-th conference on Quantitative InfraRed Thermography, Italy, Padova, June 28-30, 2006. - Italy, 2006, 6 pp. - Proceedings on-line: http://qirt.gel.ulaval.ca/archives/qirt2006/papers/05l.pdf.

34. Вайнер Б. Г. Изучение физиологических функций организма человека методами матричного тепловидения. - В сб.: II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика-2005", Москва, 21-24 июня, 2005. Сборник материалов. - 2005, Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, с. 340-341.

35. Vainer В., Belozerov P., Baranov V. Use of IR thermography for bioheat transfer studies. - In: Proc. 7th Intern. Conf on Quantitative IR Thermography, July 5—8, 2004, von Karman Inst, for Fluid Dynamics, Rhode-St-Genese, Belgium, 2004, p. J.8.1-J.8.4.

36. Vainer B. G., Kurishev G. L. Irregular pixel defects in hybrid IR-sensitive integrated circuits and their effect on results of measurements in medicine and multichannel spectrometry. - In: 2002 6-th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE-2002, Novosibirsk, September 23-26, 2002. Proceedings, Volume 1. - Russia, Novosibirsk, State Techn. Univ., 2002, p. 77-85.

37. Вайнер Б. Г. Фотоотклик МДП-ПЗИ-ячеек многоэлементных линейчатых структур при засветке от источника излучения с динамическими пространственно-временными характеристиками. В сб.: Материалы VI Международной конференции: Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2002, Новосибирск, 23-26 сентября, 2002. В 7 томах. Том 2. - Новосибирск, НГТУ, 2002, с. 124-131.

38. Vainer В. G. Narrow spectral range infrared thermography in the vicinity of 3 |im operating wavelength // In: Quantitative InfraRed Thermography 5, Eurotherm Seminar 64, QIRT'2000, Reims, France, July 18-21, 2000. Proceedings. Ed. by D.Balageas, J.-L.Beaudoin, G.Busse, and G.M.Carlomagno // France, UTAP URCA, 2000. P. 84-91.

39. Vainer B. G., Kupershtokh A. L. Measurements of statistical lag time of breakdown in thin amorphous layers of Si02. Conference record of the IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Arlington, Virginia, USA, June 7-10, 1998. - Washington, IEEE, 1998, vol. 1, p. 169-172.

40. Kogan E., Kovchavtsev A., Kurishev G., Logvinsky L., Pan M., Polovinkin V., Sagdeev D., Subbotin I., Vainer B. IR spectrometer with 512 InAs-cell MOS detector. - In:

Opto-92. Palais des Congres, 14-16 Avrii, 1992. Douziemes Journees Professionnelles. Fibres Optiques, Lasers, Optique, Visualisation, Optoelectronique. - Paris, ESI publications, 1992, p. 620-622.

41. Вайнер Б. Г. МДП-структуры на узкозонных полупроводниках типа А3В5 в сильном электрическом поле. - В сб.: 35 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium. 22-25.10.1990. Heft 4. - DDR, Technische Hochschule Ilmenau, 1990, c. 44-47.

Материалы (труды) всесоюзных и всероссийских конференций:

42. Вайнер Б. Г. Определение высоты потенциального барьера для электронов на границе InSb-Si02 и InAs-Si02. - В сб.: IX Всесоюзный симпозиум "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников", Новосибирск, 15-17 июня 1988 г. Ч. 1. - Новосибирск, СО АН СССР, 1988, с. 68-69.

43. Вайнер Б. Г., Жмуриков Е. И. Низковольтный гистерезис в МДП-структурах на основе InSb с анодно окисленной поверхностью. - В сб.: VII Всесоюзный симпозиум по электронным процессам на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводник-диэлектрик. - Новосибирск, СО АН СССР, 1980, Ч. 1, с. 36-37.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] Woolaway J. Т. New sensor technology for the 3- to 5-pm imaging band. - Photonics Spectra, 1991, vol. 25, no. 2, p. 113-119.

[2] Свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник/ Авторы: А.В.Ржанов, Т.Е.Ковалевская, И.Г.Неизвестный, В.Н.Овсюк, А.К.Захаров, А.А.Гузев, Г.Л.Курышев, С.П.Синица, С.В.Покровская, В.А.Гриценко, А.С.Волков, С.И.Стенин, О.П.Пчеляков, Е.Н.Труханов, М.П.Синюков / Под. ред. чл.-корр. РАН АВ.Ржанова. - Наука, М., 1976. - 280 с.

[3] Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф.Барба,- М.: Мир, 1982.-240 с.

[4] Fowler R. Н., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields. - Proc. Roy. Soc., 1928, vol. 119, no. A781, p. 173-181.

[5] Cherkassky V. S., Knyazev B. A., Kubarev V. V., Kulipanov G. N., Kuryshev G. L., Matveenko A. N., Petrov A. K., Popik V. M., Scheglov M. A., Shevchenko O. A., Vi-nokurov N. A. Imaging techniques for a high-power THz free electron laser. - Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A, 2005, vol. 543, No. 1, p. 102-109.

[6] Винокуров H. А., Князев Б. А., Кулипанов Г. H., Матвеенко А. Н., Попик В. М., Черкасский В. С., Щеглов М. А. Визуализация излучения мощного терагерцово-го лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра. - ЖТФ, 2007, т. 77, вып. 7, с. 91-100.

[7] Bagavathiappan S., Saravanan Т., Philip J., Jayakumar Т., Raj В., Karunanithi R., Panicker Т. M. R., Korath M. P., Jagadeesan K. Infrared thermal imaging for detection of peripheral vascular disorders. - J. Med. Phys., 2009, vol. 34, no. 1, p. 43-47.

[8] Ferreira J.. A., Mendonca L. C. S., Nunes L. A. O., Andrade Filho А. С. C., Rebelatto J. R., Salvini T. F. Exercise-associated thermographic changes in young and elderly subjects. - Annals Biomed. Eng., 2008, vol. 36, no. 8, pp. 1420-1427.

ВАЙНЕР Борис Григорьевич

Многоканальная спектрометрия и матричное тепловидение, основанные на использовании арсенид-индиевых фоточувствительных МДП-структур с зарядовой инжекцией

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Сдано в набор 16.10.2009 г. Подписано в печать 19.10.2009 г. Формат 60x90 1/16 Объем 2.0 печ.л., 1.6 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 28_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Перечень сокращений, условных обозначений и символов.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность исследований.

Цель диссертации и формулировка научных проблем, предлагаемых к решению.

Научные положения, вынесенные на защиту.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Спектрометрия и тепловидение.

1.2. Детекторы ИК излучения.

1.3. Полупроводниковые приборы с зарядовой инжекцией.

1.4. Некоторые актуальные задачи науки и техники, нуждающиеся в разработке новых подходов к их решению.

1.5. Основные результаты литературного обзора.

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МДП-СТРУКТУРАХ НА

ОСНОВЕ УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТИПА А3В5.

2.1. Экспериментальные образцы МДП-структур.

2.2. Полевая нестабильность МДП-ПЗИ ячеек на основе узкозонных полупроводников типа А3В5.

2.2.1. Основные проявления зарядовой нестабильности и модель зарядовогосостояния МДП-структуры.

2.2.2. Метод определения некоторых фундаментальных физических параметров МДП-структур и его применение к структурам на основе 1п8Ь и 1пАб.

2.2.3. Снижение эффективности зарядовой инжекции при подаче серии импульсов напряжения.

2.3. Эффект увеличения фотоответа в результате латерального дрейфа заряда в МДП-структурах с пленками низкотемпературной пиролитической двуокиси кремния.

ГЛАВА 3. АРСЕНИД-ИНДИЕВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА,

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ

ТАКИХ СИСТЕМ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МНОГОКАНАЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ.

3.1. Фоточувствительные МДП-ПЗИ элементы.

3.2. Линейные многоканальные детекторы ЭМ излучения.

3.3. Матричные тепловизионные детекторы ИК излучения.

3.4. Матричный тепловизор.

3.4.1. Устройство и программное обеспечение системы.

3.4.2. Калибровка температурной чувствительности ПЗИ-ячеек.

3.4.3. Исследование рабочих характеристик тепловизора.

3.4.3.1. Быстродействие и температурная чувствительность.

3.4.3.2. Спектральная чувствительность и обусловленные ей выигрышные позиции арсенид-индиевых тепловизоров.

3.4.3.3. Пространственная разрешающая способность.

3.5. Многоканальный быстродействующий спектрально-широкополосный спектрометр с линейным детектором излучения.

3.5.1. Оптическая многоканальная спектрометрия.

3.5.2. Устройство многоканального спектрометра.

3.5.3. Особенности работы арсенид-индиевых фотоприемников в составе многоканальных спектрометрических устройств.

3.5.4. Программное обеспечение, разработанное с учетом особенностей ПЗ И-фото приемников.

3.5.5. Исследование рабочих характеристик спектрометра с линейным многоканальным детектором.

3.5.5.1. Определение линейности фотоотклика МДП-ПЗИ при монохроматической засветке.

3.5.5.2. Спектральная характеристика чувствительности линейного спектрометрического детектора излучения.

3.5.5.3. Разрешающая способность, задаваемая детектором.

3.6. Спектры, полученные с применением многоканальных линейчатых ПЗИ-детекторов излучения на основе ТпАэ.

3.7. Визуализирующий спектрометр с тепловизионной камерой.

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МДП ПЗИ-ЭЛЕМЕНТАХ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ИНДИЯ, РАБОТАЮЩИХ В СОСТАВЕ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ.

4.1. Влияние физических характеристик, конструктивных особенностей и условий функционирования матричных ПЗИ-фотоприемников, а также параметров принимаемого излучения, на предельное температурное разрешение (NETD) InAs ИК детекторов, работающих в тепловизионном режиме.

4.1.1. Кинетика накопления заряда в неравновесной потенциальной яме ПЗИ-ячейки ограниченной емкости.

4.1.2. Влияние коротковолновой границы чувствительности ПЗИ-детектора, апертуры холодной диафрагмы, атмосферного поглощения, положения ячейки на поле матрицы и спектрального коэффициента излучения источника на NETD

4.2. Латеральная фоточувствительность МДП-элементов и ее связь с особенностями строения многоэлементных ПЗИ.

4.2.1. Источники латеральных фотоэффектов и сканирующий инфракрасный зонд для их прецизионного исследования.

4.2.2. Избыточный латеральный фотоответ, неоднородность локальной чувствительности и эффект изолированной ячейки в ПЗИ-фотоприемниках.

4.3. Влияние напряжения смещения на поверхностное распределение локального фотоотклика в МДП-ПЗИ ячейках, частично экранированных от латеральной засветки.

4.4. Фотоотклик ячеек МДП-ПЗИ при засветке от источника излучения с динамическими пространственно-временными характеристиками.

4.5. Нерегулярные пиксел-соизмеримые дефекты в гибридных фоточувствительных микросхемах.

4.6. Повышение фоточувствительности ПЗИ-детекторов в многоканальных спектрометрах на основе 1пАз методом импульсной лазерной коррекции т^Ш.

4.7. Перекрестные инжекционные наводки в многоэлементных линейных ПЗИ с последовательной адресацией и новый способ считывания сигнала, обеспечивающий снижение их уровня.

ГЛАВА 5. КОРОТКОВОЛНОВОЕ СПЕКТРАЛЬНО-УЗКОПОЛОСНОЕ ТЕПЛОВИДЕНИЕ И ОСНОВАННЫЕ НА НЕМ НОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ, РАЗВИТЫЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МАТРИЧНЫХ АРСЕНИД-ИНДИЕВЫХ МДП-ПЗИ

ФОТОПРИЕМНИКОВ.

5.1. Метод определения спектрально-широко диапазонных энергетических диаграмм направленности источников излучения.

5.2. Метод определения спектрального коэффициента излучения поверхностей в рабочей полосе спектрально-узкополосного тепловизора.

5.3. Количественный метод исследования процесса адсорбции молекул из газовой фазы на поверхностях твердых тел.

5.4. Спектрально-узкополосная тепловизионная дефектоскопия в полупроводниковой технологии.

5.4.1. Метод спектрально-узкополосного тепловизионного контроля скрытых границ раздела контактирующих поверхностей.

5.4.2. Дефектоскопия приборов полупроводниковой электроники.

5.5. Тепловизионный неразрушающий контроль в материаловедении и экспериментальной механике.

5.6. Изучение физических свойств живых объектов методом высокоразрешающего матричного тепловидения.

5.7. Тепловидение как метод контроля в задачах косметологии.

5.8. Тепловидение в телемедицине.

ГЛАВА 6. НОВЫЕ ЭМПИРИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К КОЛИЧЕСТВЕННОМУ АНАЛИЗУ НЕОДНОРОДНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ.

6.1. Гетерогенные термограммы и их анализ с привлечением аппарата математической статистики.

6.2. Методологические особенности экспериментальной статистической термографии.

6.3. Степень гетерогенности - новая количественная характеристика термограмм.

6.3.1. Алгоритмические подходы к количественному описанию гетерогенности термограмм, основанные на Фурье-анализе и вейвлетных преобразованиях Хаара.

6.3.2. Метод поиска очагов повышенного теплового излучения путем "затопления трехмерного теплового ландшафта" и анализ их распределения по площадям.

Актуальность исследований

Научный и практический интерес к полупроводниковым структурам, чувствительным в инфракрасной (ИК) области спектра остается на неизменно высоком уровне, что во многом предопределено широкими возможностями создаваемых на их базе детекторов излучения, позволяющих не только решать актуальные научно-технические задачи, но и глубже познавать явления и законы природы. Предложены разнообразные принципы построения ИК фотоприемных устройств (ФПУ), активно внедряемых в практику [1—3]. Созданы фоточувствительные приборы, основанные на собственном поглощении излучения, примесном поглощении, поглощении с использованием свойств гетеропереходов, полупроводниковых сверхрешеток, квантовых ям, детекторы, осуществляющие неселективное поглощение энергии фотонов, и другие. Направляются усилия на конструирование отдельных фотоэлементов и фоточувствительных матриц с использованием, так называемых, квантовых точек [4, 5].

Спектрометрию и тепловидение — высокоинформативные и широко известные сегодня методы экспериментальной физики - объединяет то, что ключевым элементом в них является детектор электромагнитного (ЭМ) излучения. От последнего зависят такие характеристики системы, как чувствительность, быстродействие, разрешающая способность, спектральный диапазон. Свойства детекторов, значительная доля которых — полупроводниковые, во многом определяются уровнем развития микроэлектроники, поэтому к началу диссертационной работы большинство спектрометров видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов использовало в качестве детекторов излучения лишь наиболее простые — одноэлементные - фотоприемники, и работали эти приборы по классической оптической схеме со сканированием спектра одиночной выходной щелью монохроматора. Практически, во всех тепловизорах также применялись одиночные и, реже, линейчатые фотоприемники, требующие для построения двумерного теплового изображения наличия внутреннего оптико-механического сканера. Механическая развертка спектра в спектрометрах и механическое сканирование в тепловизорах существенно ограничивали быстродействие систем, вызывали акустический шум,

ЭМ наводки и вибрации. Отсутствие компьютерной поддержки в большинстве приборов снижало производительность и информативность исследований.

Новым техническим решением в спектрометрии стало применение линейных многоканальных детекторов, помещаемых в открытое отверстие монохроматора вместо выходной щели, а в тепловидении - использование матричных фотоприемников, не требующих оптико-механического сканирования. Это на 2-3 порядка увеличило быстродействие и, при прочих равных условиях, во столько же раз улучшило чувствительность аппаратуры, поскольку механическое сканирование было заменено практически безынерционным - электронным.

К началу 90-х годов 20-го века, когда появились наши первые публикации по многоканальной спектрометрии, многоэлементные полупроводниковые детекторы если и применялись в спектрометрах, то были изготовлены, как правило, из кремния, а потому решали лишь задачи от ультрафиолетового (0.2 мкм) до ближнего ИК (около 1 мкм) диапазона. В литературе уже встречались сообщения об изготовлении матриц тепловизионного применения и приводились отдельные демонстрационные примеры изображений, полученных с помощью таких матриц. При этом, матричными детекторами регистрировалось, в основном, ИК излучение относительно длинноволнового (3-5 мкм, 8-12 мкм) и широкого участка спектра. Наиболее популярными материалами для детекторов здесь являются InSb, кадмий-ртуть-теллур (KPT, Hgi.xCdxTe) и ряд других соединений [6-11].

Многоэлементные системы, созданные на основе узкозонного полупроводника типа А3В5 арсенида индия, оставались к началу диссертационных исследований практически без внимания, хотя можно было понять, что они позволяют в области собственного поглощения InAs охватить важный для многих спектрометрических приложений диапазон от видимого вплоть до 3.05 мкм, в котором, в частности, открывалась привлекательная возможность их использования в широкодиапазонной многоканальной спектрометрии.

Идея построения тепловидения на основе арсенид-индиевых фотоэлементов была интересна тем, что из всех полупроводниковых соединений, потенциально пригодных для тепловидения высокого пространственного и температурного разрешения, область фундаментального поглощения InAs соответствовала наиболее коротковолновому участку (вблизи 3 мкм) на шкале ЭМ волн [12]. Перспективность построения матричного тепловидения на базе InAs-детекторов следовала из фундаментальных свойств теплового излучения, обеспечивающего заметно большую контрастность изображения в коротковолновой ИК области по сравнению с длинноволновой. Более того, объединенная в гибридную микросхему с кремниевым мультиплексором арсенид-индиевая фотоприемная матрица обладала узким спектральным диапазоном чувствительности (ширина рабочей полосы много меньше средней рабочей длины волны детектора). Коротковолновая и узкая спектральная область чувствительности представлялась для тепловидения весьма перспективной, поскольку здесь можно было ожидать большего динамического диапазона детекторов тепловизионных камер в силу не столь существенного влияния фонового излучения, приводящего к быстрому переполнению ячеек длинноволновых ИК фотоприемников. Арсенид-индиевые детекторы с шириной запрещенной зоны полупроводника около 0.4 эВ допускают работу при более высоких температурах, чем длинноволновые с шириной зоны 0.2 эВ и меньше. При меньших длинах волн и в условиях спектральной узкополосности следовало ожидать и лучшего пространственного разрешения оптической системы ввиду ослабления дифракционных ограничений и отсутствия хроматических аберраций.

В качестве фоточувствительных элементов арсенид-индиевых детекторов можно с успехом использовать простые в изготовлении (по сравнению, скажем, с фотодиодами) и потому перспективные для промышленного производства структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), работающие на физическом принципе приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ). Вместе с тем, здесь следует принимать во внимание ряд принципиальных отличий МДП-ПЗИ элементов на основе 1пАз от хорошо изученных в этой области кремниевых МДП-ПЗИ ячеек, а по ряду признаков и от других структур, используемых в ИК технике, в частности, в тепловизорах. Перечисленные ниже факторы способны отразиться на физических характеристиках и результатах практического применения арсенид-индиевых фотоприемных ячеек:

1) арсенид-индиевая система обладает температурной неустойчивостью, требующей при создании МДП-структур использовать низкотемпературные (100200 °С) технологии; 2) электронное сродство х в 1пАз на 0.9 эВ превышает х в что влияет на высоту граничных потенциальных барьеров в структурах с одинаковыми диэлектриками; 3) стандартные измерения на Si и на узкозонных полупроводниках типа А3В5 проводят при разной температуре (300 К и 80 К), от которой зависит соотношение между полевыми и термоактивационными механизмами в процессах инжекции и переноса заряда; 4) фундаментальные свойства 1пАз, в частности, его зонная структура существенно отличаются от полупроводников IV группы; 5) из-за низкой плотности электронных состояний в зоне проводимости поверхностный изгиб зон здесь заметно больше, чем в [13, 14*]1, что влияет на распределение электрического поля в МДП-структуре и на высоту потенциального барьера 1пАз-диэлектрик; 6) в тепловизионном исполнении арсенид-индиевая ячейка является спектрально-узкополосной, что принципиально отличает ее от многих других ИК фотоприемников; 7) при спектрометрическом применении такая ячейка является спектрально-широкополосной, функционирующей одновременно в ИК и видимой частях спектра, что не характерно для многих ИК фотоприемников; 8) арсенид-индиевая МДП-структура сама является накопительной ячейкой ПЗИ, в отличие от многих других ИК фотоприемников (фотодиоды, барьеры Шоттки, многослойные меза-структуры), где накопительная ячейка перемещена в кремниевый мультиплексор.

В связи с отсутствием необходимых знаний об особенностях протекания физических процессов в арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структурах, функционирующих в составе многоэлементного фоточувствительного устройства, не было оснований считать их пригодными для целей многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения. Способность таких структур в интегральном исполнении удовлетворять задачам, стоящим перед матричным тепловидением и многоканальной спектрометрией, являлась неочевидной хотя бы потому, что никто до сих пор в указанных областях их систематически не использовал и применимость к этим областям целенаправленно не изучал. Таким образом, изучение физических процессов в арсенид-индиевых МДП-структурах и МДП-ПЗИ ячейках, работающих в составе многоэлементных фотоприемников, применительно к их использованию в спектрометрии и тепловидении, явилось новой и актуальной научной задачей.

Само тепловидение с появлением матричных ИК детекторов также требовало разработки и развития основанных на нем методов научного исследования, поскольку последние к началу диссертационной работы опирались лишь на исполь

1 Для удобства идентификации публикаций, сделанных с участием автора, все ссылки на такие работы в тексте, а также в списке литературы, помечены "звездочкой". зование сканирующих камер ранних поколений, принципиально не позволявших корректно решать многие задачи экспериментальной физики.

Вышесказанным определилась актуальность разработки теоретических и практических основ современных методов научного исследования — многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения, построенных на использовании спектрально-широкополосных линейных и коротковолновых спектрально-узкополосных матричных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ фотоприемников.

Настоящая диссертация обобщает материалы и ключевые научные результаты, полученные по вышеуказанным проблемам при доминирующем участии и вкладе автора в ходе многолетних исследований, проведенных в ИФП СО РАН.

Цель диссертации и формулировка научных проблем, предлагаемых к решению

Целью диссертационных исследований является разработка базовых принципов построения спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии и коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения на основе использования фоточувствительных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур с зарядовой инжекцией и необходимое для этого исследование физических процессов, протекающих в указанных структурах при их функционировании в составе многоэлементных (линейных и двумерных) детекторов ЭМ излучения.

Конкретные задачи работы состояли в следующем:

1. Экспериментально, аналитически и методами компьютерного моделирования исследовать арсенид-индиевые МДП-ПЗИ элементы применительно к условиям их работы в составе многоканальных линейных и матричных спектрометрических и тепловизионных фотоприемных устройств (ФПУ).

2. Определить физические механизмы зарядовой нестабильности МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 во внешнем электрическом поле при температуре, близкой к 80 К, путем исследования особенностей накопления заряда в диэлектрике при функционировании этих структур в режиме неравновесного обеднения.

3. Определить физическую природу локальных дефектов, избыточной латеральной фоточувствительности и перекрестных наводок в многоканальных арсенид-индиевых фотоприемниках, предназначенных для спектрометрии и тепловидения.

4. Разработать и программно реализовать метод самосогласованного квантового расчета дискретного энергетического спектра и поверхностного потенциала в слоях обогащения узкозонных полупроводников с учетом непараболичности зоны проводимости и фермиевской статистики с целью уточнения потенциальных барьеров на границе полупроводник-диэлектрик и распределения электрического поля в МДП-структуре .

5. Разработать и программно реализовать аналитическую полуэмпирическую модель, описывающую заполнение неравновесной потенциальной ямы фотогене-рированными и тепловыми носителями заряда с учетом латерального диффузионного подтекания и исследовать особенности работы арсенид-индиевой ПЗИ-ячейки ограниченной зарядовой емкости в предельных режимах функционирования, приближающих ее к состоянию зарядового насыщения, порождающему фундаментальные ограничения на точность тепловизионных и спектрометрических измерений при использовании ПЗИ-детекторов.

6. Разработать новые экспериментально-аналитические методы исследования МДП-структур и фоточувствительных ячеек на основе узкозонных полупроводников, спектрометрических и тепловизионных ФПУ, направленные на уточнение зонной диаграммы МДП-структур, определение уровня перекрестной связи фотоэлементов, установление линейности свет-сигнальной характеристики, прецизионное исследование координатных характеристик локальной фоточувствительности.

7. Использовать полученные результаты исследования физических свойств фотоприемников на основе узкозонных полупроводников 1п8Ь и 1пАб, а также многоэлементных ФПУ, с целью создания многоканальных спектрометров и коротковолновых спектрально-узкополосных матричных тепловизоров с высокими техническими параметрами на основе арсенид-индиевых детекторов излучения. Исследовать основные физические и рабочие характеристики созданных спектрометров и тепловизоров.

8. Изучить особенности поведения фотоответа арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур, интегрированных в многоэлементные ИК детекторы, в условиях их практического применения при решении разнообразных прикладных задач многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения, на базе чего обосновать или исключить возможность полноценного практического использования данных приборов для этих областей приложения.

9. Разработать новые принципы и методы измерения физических величин, основанные на использовании тепловидения, в частности, коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения, а именно, принцип и метод измерения энергетических характеристик диаграмм направленности источников ЭМ излучения, принцип и метод измерения поверхностной концентрации адсорбированных молекул из газовой фазы на твердом теле, метод определения спектрального коэффициента излучения поверхностей материалов на рабочей длине волны спектрально-узкополосного тепловизора, метод определения толщины и положения скрытых полостей на границах раздела в слоистых структурах, методы определения количественных характеристик тепловых полей в физике живых систем и др.

10. Расширить круг научно-прикладных задач, решаемых с помощью тепловидения, путем применения матричных фотоприемных устройств, а именно, применить матричное тепловидение для выявления диаграмм направленности ЭМ излучения, исследования токов утечки в приборах силовой электроники, решения научных проблем в области косметологии и физиологии человека, включая выявление количественных физических характеристик отдельных потовых желез и др.

11. Разработать принципиально новые эмпирические и математические подходы к количественному анализу поверхностных тепловых полей, а также методы математической обработки термограмм, полученных с учетом улучшенных технических характеристик матричных тепловизоров.

Заметим, что помимо фундаментальных и прикладных задач, направленных на исследование арсенид-индиевых полупроводниковых структур, важной проблемой выступает методологическая. А именно, с учетом изученных физических явлений и процессов в МДП-ПЗИ структурах, их спектральных характеристик, особенностей функционирования, опираясь на экспериментальные данные, полученные при разнообразных способах применения этих структур, интегрированных в многоэлементные ИК детекторы, разработать методологические основы использования данных фотоприемников в многоканальной спектрометрии и матричном тепловидении, а также новые принципы и методы измерений разнообразных физических величин.

Научные положения, вынесенные на защиту

1. Арсенид-индиевые фоточувствительные ПЗИ-элементы со структурой МДП можно полноценно использовать в многоканальных линейчатых и матричных ФПУ, предназначенных для широкодиапазонной (от видимого до 3 мкм) спектрометрии и спектрально-узкополосного тепловидения.

2. Результаты исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств фоточувствительных ячеек (установленные туннельные механизмы зарядовой нестабильности, координатные характеристики чувствительности, низкий (2%) уровень электронно-оптической связи фотоэлементов, широкодиапазонная спектральная характеристика и др.), а также набор полученных спектров пропускания и эмиссионных спектров, измеренных в области от 0.5 мкм до 3.05 мкм за времена порядка нескольких миллисекунд с помощью арсенид-индиевых 512-элементных МДП-ПЗИ линейных фотоприемников, доказывают возможность и демонстрируют начало развития спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии на базе указанных детекторов излучения.

3. Развитое при выполнении диссертационной работы коротковолновое спектрально-узкополосное матричное тепловидение, характеризующееся использованием для этой цели научно-обоснованной новой элементной базы (арсенид-индиевые матричные МДП-ПЗИ фотоприемники) и разработанными новыми методами измерения физических величин, является новым высокоинформативным инструментом исследования в экспериментальной физике.

4. Зарядовая нестабильность МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 1п8Ь и ЪхАб в сильном электрическом поле (> 106 В/см) при температуре, близкой к 80 К, обусловлена механизмом туннелирования электронов через треугольный потенциальный барьер.

5. Экспериментальное исследование кинетики накопления заряда в диэлектрике МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 (ГпБЬ, 1пАз) при температуре жидкого азота позволило определить значения фундаментальных физических параметров этих структур: высоту потенциальных барьеров для электронов на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик, энергию активации ловушек в диэлектрике, эффективную массу электрона в запрещенной зоне анодного окисла, выращенного на 1п8Ь.

6. В фоточувствительных МДП-ПЗИ элементах на основе ГпАэ определяющую роль при температуре, близкой к 80 К, играют латеральные эффекты (латеральная фоточувствительность, латеральное растекание заряда), которые способны на количественном (десятки процентов) и качественном (потеря разрешающей способности) уровнях изменять характеристики многоэлементных детекторов излучения, созданных на базе таких полупроводниковых структур.

7. Высокоэффективным способом снижения уровня электронных перекрестных наводок в многоэлементных ПЗИ-детекторах с последовательным считыванием сигнала является задержка напряжения считывания на каждом предыдущем элементе на время, превышающее время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

8. Новая физическая величина - степень гетерогенности температурного поля, - количественно описывающая неоднородность распределения температуры поверхности физических тел, является независимой количественной характеристикой, отражающей физические свойства исследуемого объекта, и может быть определена путем математической обработки измеренных тепловизионных термограмм.

9. Тепловидение, реализованное с использованием арсенид-индиевых спектрально-узкополосных матричных детекторов излучения, обладает высокими пространственным разрешением (коэффициент электронно-оптической связи фотоэлементов менее 2%), быстродействием (порядка 100 кадров в секунду), чувствительностью (порядка сотых долей градуса при температуре объекта 30 °С) и контрастностью изображения (превышающей при температурах объекта 30-40 °С контрастность длинноволновых тепловизионных изображений на десятки процентов); в качестве примеров: оно позволяет количественно исследовать в реальном масштабе времени температурную кинетику функционирования одиночных кожных желез и регистрировать начальные стадии адсорбции молекул паров воды на твердых телах, начиная с эффективной степени заполнения поверхности молекулами адсорбата, соответствующей десятым и сотым долям монослоя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Решена крупная научная проблема, состоящая в разработке и развитии базовых физических принципов построения спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии и коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения на основе использования фоточувствительных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур с зарядовой инжекцией.

2. Подробно изучены физические процессы и явления, протекающие в МДП-структурах и фотоэлементах на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 1п8Ь и 1пАз, что было направлено на построение на новой элементной базе многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения. При этом а) установлено, что доминирующим механизмом при инжекции и растекании заряда в МДП-структурах при Т = 80 К в сильном электрическом поле Е > 106 В/см является механизм туннелирования электронов; адекватным приближением для количественного описания туннелирования при этом служит барьер треугольной формы; б) обнаружен эффект снижения эффективности зарядовой инжекции в МДП-структурах при подаче серии коротких импульсов напряжения по сравнению с одиночным импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды; явление объяснено влиянием неравновесного обеднения поверхности 1пАб; в) обнаружен эффект латерального растекания заряда (электронов) по поверхности низкотемпературного пиролитического 8Юг; приводящий к созданию охранного кольца на образцах р-типа и увеличению фотоответа на образцах п-типа; г) с помощью разработанного прецизионного автоматизированного ИК зонда обнаружена высокая (на уровне десятков процентов) избыточная латеральная фоточувствительность ПЗИ-элементов, обусловленная диффузионным подтеканием дырок, фотогенерированных в краевых областях ячейки, под полевой электрод и контактные площадки; д) показано, что при отсоединении фоточувствительной ячейки от ячейки мультиплексора на соседних площадках возникает избыточный фотоответ, обусловленный подтеканием "чужих" фотоносителей; методом ИК-зондирования исследована "анатомия" избыточного фотоответа.

3. Достоверно показано, что арсенид-индиевые фоточувствительные ПЗИэлементы со структурой МДП можно полноценно использовать в многоканальных линейчатых и матричных ФПУ, предназначенных для широкодиапазонной спектрометрии и спектрально-узкополосного тепловидения. При этом доказано, что InAs может рассматриваться как оптимальный материал для применения в тепловизорах медицинского и иного назначений, когда не требуется изучать объекты слишком низких (например, меньших 10°С) температур.

4. Разработан новый метод измерения фундаментальных физических параметров МДП-структур, основанный на анализе их зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле. Экспериментально определены значения параметров МДП-структур на основе InSb и InAs - высота потенциальных барьеров на границе металл-диэлектрик, полупроводник-диэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек в диэлектрике, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика. Установлено, что с учетом поверхностного изгиба зон InAs в сильном электрическом поле высота потенциального барьера для электронов на границе InAs-SiCb составляет 3.3-3.4 эВ для значения эффективной массы электрона в барьере (0.55-0.50)wo, где т0 - масса свободного электрона.

5. Выявлены источники избыточного шума, характерные для каналов линейчатых гибридных микросхем; разработан и реализован метод его эффективного подавления, основанный на использовании импульсной лазерной коррекции in-situ.

6. Для инфракрасной (до 3.05 мкм) и, одновременно, видимой (от 0.5 мкм) областей спектра разработан и практически реализован метод многоканальной спектрометрии; для работы в данном диапазоне впервые созданы широкополосные многоканальные спектрометры на базе арсенид-индиевых МДП-ПЗИ многоэлементных линейных детекторов излучения.

7. На базе матричного арсенид-индиевого МДП-ПЗИ фотоприемника коллективно при участии соискателя разработан тепловизор, доведенный до уровня промышленного образца,- рекомендованный Минздравом РФ к серийному производству и применению в медицинской практике и внесенный в Государственный реестр изделий медицинского назначения и медицинской техники.

8. Разработано и освоено новое направление в экспериментальной физике - коротковолновое (вблизи длины волны 3 мкм) спектрально-узкополосное матричное тепловидение - и всесторонне подтверждена его высокая информативность.

9. Показано, что коротковолновое спектрально-узкополосное тепловидение может быть с успехом использовано как инструмент исследования и средство измерений физических величин в различных областях физики — экспериментальной механике, лазерной физике, физике полупроводниковых приборов, физике живых систем и т. д.

10. На основе применения в тепловидении коротковолновых спектрально-узкополосных ИК детекторов разработаны и реализованы новые аналитико-экспериментальные методы физических исследований (определение спектрального коэффициента излучения поверхности, диаграмм направленности источников излучения, дефектоскопия скрытых полостей в слоистых системах и др.).

11. Расширены экспериментальные возможности тепловидения в плане количественного изучения новых для этого метода объектов и природных явлений (адсорбция, перспирация, распределение энергии в потоке ЭМ излучения и др.), а также в плане математической обработки температурных полей; осуществлен количественный подход к анализу многих тепловых явлений, ранее представленных в тепловидении лишь на уровне качественного описания термограмм (особенности процессов теплообмена и терморегуляции живых организмов и др.).

12. Визуализирован и исследован тепловой эффект, связанный с адсорбцией молекул газа на твердой поверхности и названный "эффектом теплового пламени". Обнаружено его изменение в пределах порядка величины. Оценено, что с помощью матричного тепловидения возможно изучать кинетику начальных стадий адсорбции при эффективном покрытии поверхности адсорбента слоем молекул адсорбата с эффективной толщиной всего десятые и сотые доли монослоя. Этот результат открывает широкие перспективы перед тепловидением как экспериментальным методом для его применения в физике поверхности твердого тела, химической и молекулярной физике.

13. Обнаружен ряд новых температурных проявлений при тепловизионном исследовании кожи человека как физического объекта живой природы: а) при изучении кожи лица в ИК диапазоне обнаружена аномальная нестабильность температуры в области носа (увеличение за несколько минут на 9 градусов при сохранении почти неизменной на остальной площади); обращено внимание на возможное использование данного явления применительно к медицине; б) зарегистрировано новое явление природы — стабильный точечный гипергидроз; в) установлено, что физические и общие тепловые нагрузки на организм приводят к резкой гетерогенности тепловой картины поверхности тела; г) обнаружено, что характерная для организма в спокойном состоянии функция распределения его поверхностной температуры близка к функции нормального распределения; показано, что фундаментальной задачей является анализ трансформаций гистограмм поверхностного распределения температуры и поиск обуславливающих эти трансформации причин.

14. Обоснована и продемонстрирована адекватность применения методов математической статистики для анализа тепловых изображений, получаемых в сфере биомедицинского тепловидения.

15. С целью количественного описания степени гетерогенности термограмм предложены и опробованы математические методы, основанные на Фурье-анализе теплового изображения, вейвлетных преобразованиях Хаара и прямом статистическом анализе распределения поверхностных локальных очагов гипертермии. Показана адекватность разработанного метода компьютерного анализа тепловых полей.

Есть основания надеяться, что в ближайшем будущем для использования в спектральной области до 3 мкм, где чувствительны структуры на основе ГпАб, появится немалое количество новых детекторов, и многие материалы настоящей диссертации приобретут еще большую актуальность.

В настоящей диссертации представлены лишь те научные результаты, где личный вклад соискателя в их получение (постановка проблемы, постановка и проведение эксперимента, исследование, обработка и анализ экспериментальных результатов, разработка моделей, получение аналитических выражений, программирование, оформление публикаций и др.) был доминирующим. По ряду работ, выполненных в соавторстве, можно пояснить следующее:

- разработка и изготовление полупроводниковых экспериментальных образцов на основе ЪгёЬ и 1пАз, образцов тепловизоров и спектрометров осуществлялись при непосредственном участии диссертанта силами большого коллектива ИФП СО РАН и ряда других организаций;

- тепловизионные исследования в области экспериментальной механики

284*—286*] были выполнены при доминирующем участии сотрудников ИФТПС СО РАН Е.С.Лукина и А.М.Иванова; соискатель принял участие в обсуждении, корректировке результатов и оформлении публикаций;

-компьютерные расчеты при обработке гетерогенных термограмм были проведены под руководством соискателя А.С.Москалевым, А.Ф.Сапетиной и М.С.Тарковым;

-трехмерные компьютерные расчеты теплопереноса в живых тканях были проведены под руководством соискателя П.Г.Белозеровым и В.И.Барановым;

- технология полупроводниковых структур и приборов, полученных методом прямого сращивания, контролировалась Г.Н.Камаевым, принимавшим также участие в ряде экспериментов, проводимых с этими структурами, и в составлении заявки на изобретение тепловизионного устройства для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей;

- создание первой импульсной лазерной установки, использованной автором для коррекции фотоприемных модулей, и работа на этой установке были осуществлены А.Г.Клименко;

- получение обзорного спектра оптического пропускания атмосферы на фурье-спектрометре Bruker IFS 113V было выполнено с участием соискателя А.Г.Милехиным;

- в составление обзора зарубежной литературы, посвященного тепловизион-ной диагностике рака молочной железы [299*], основной вклад внес д.б.н. А.Л.Маркель;

-постановка научной проблемы по соответствию механизмов пробоя твердотельных диэлектриков и жидкостей осуществлена А.Л.Куперштохом; здесь личный вклад соискателя - создание автоматизированной экспериментальной установки, проведение экспериментов, обсуждение результатов.

В заключение соискатель хотел бы выразить глубокую признательность вышеперечисленным участникам и соавторам работ за вклад, без которого трудно было бы получить конечный научный результат по указанным темам. Особая благодарность Г.Л.Курышеву, осуществлявшему научное руководство соискателем на этапе его кандидатской диссертации, а позднее инициировавшему производство тепловизоров на основе InAs в ИФП СО РАН. В части изготовления тепловизоров соискатель признателен В.М.Базовкину, отвечавшему за сборку первой (испытательной) модели, А.П.Ковчавцеву, отвечавшему за производство последующих моделей, и другим коллегам по лаборатории в ИФП им. А.В.Ржанова СО РАН, включая многочисленных технологов и рабочий персонал. Соискатель благодарит И.И.Ли за полезные дискуссии, касающиеся схемотехнических вопросов построения матричных ФПУ. Соискатель глубоко признателен Э.С.Когану, Ю.А.Шлапунову, А.В.Бехтереву и другим разработчикам и технологам НПО "Восток", участвовавшим в создании первых экспериментальных образцов линейчатых и матричных фоточувствительных структур, использовавшихся в представленных научных исследованиях.

Помимо Г.Н.Камаева, соискатель благодарит М.Д.Ефремова, Л.В.Миронову, В.П.Попова и всех работавших с ними технологов за подготовку и предоставление экспериментальных образцов многослойных структур, полученных методом прямого сращивания, и приборов силовой электроники для проведения теплови-зионных исследований, а также Г.Л.Курышева за обеспечение взаимодействия с данными коллективами. Диссертант благодарит В.Я.Беленького за предоставление оборудования для проведения исследований в области косметологии, а также Л.И.Фоминых и других косметологов, осуществлявших работу в косметическом салоне "Виола" в ходе тепловизионного контроля. Диссертант благодарен мсье Жан-Люку де Маншану (1оЫп-1уоп, Франция), в процессе совместной работы с которым был получен ряд спектров на многоканальном спектрометре с линейным детектором, а также В.Г.Кеслеру за совместное исследование характеристик пленок 1п203. Соискатель выражает благодарность Н.И.Халиуллину за изготовление электронного узла стенда, реализующего быстрое оптико-механическое сканирование элементов пятном малого размера.

Соискатель особо признателен А.Л.Асееву за поддержку представленных в настоящей диссертации работ, в частности, по медико-биологическому направлению, в ИФП им. А.В.Ржанова СО РАН и за инициативу, способствовавшую представлению на Сессии РАН в Москве научных материалов по использованию тепловидения в телемедицине. Искренняя признательность многочисленным волонтерам, любезно согласившимся принять участие в тепловизионных исследованиях и способствовавшим тем самым получению оригинальных экспериментальных результатов в области биомедицинских наук. Глубокая признательность Сибирскому отделению РАН за финансовую поддержку научных работ, выполнявшихся соискателем по проблемам, отраженным в диссертации, в ранге со-координатора и ответственного исполнителя Интеграционных проектов №№ 139-2003, 46-2006, 91-2009.

1. Рогальский А. Инфракрасные детекторы: Пер. с англ./ Под ред. А.В.Войцеховского. Новосибирск: Наука, 2003. — 636 с.

2. Богомолов П.А., Сидоров В.И., Усольцев И.Ф. Приемные устройства ИК-систем./ Под ред. В.И.Сидорова. М.: Радио и связь, 1987. - 208 с.

3. Филачёв А. М., Таубкин И. И., Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. — М.: Физматкнига, 2005. 384 с.

4. Razeghi М., Lim Н., Tsao S., Szafraniec J., Zhang W., Mi K., Movaghar B. Transport and photodetection in self-assembled semiconductor quantum dots. — Nanotechnology, 2005, vol. 16, no. 2, p. 219-229.

5. Kim J.C. InSb charge-injection device imaging array. IEEE Transactions on Electron Devices, 1978, vol. ED-25, no. 2, p. 232-241.

6. Staller C., Niblack C., Evans Т., Blessinger M., Westrick A. Infrared focal plane design for the Comet Rendezvous/Asteroid Flyby and Cassini Visible and Infrared Mapping Spectrometers. SPIE, 1991, vol. 1540, Infrared Technology XVII, p. 219-230.

7. Parrish W.J., Blackwell J.D., Kincaid G.T., Paulson R.C. Low-cost high performance InSb 256x256 infrared camera. SPIE, 1991, vol. 1540, Infrared Technology XVII, p. 274-284.

8. Kruse P.W. The emergence of HgixCdxTe as a modem infrared sensitive material. In: Semiconductors and Semimetals, 1981, vol. 18, p. 1-20, edited by R.K. Willardson and A.C. Beer, Academic Press.

9. Manissadjian A., Tribolet P., Chorier P., Costa P. Sofradir infrared detector products: the past and the future. In: Infrared Technology and Applications XXVI,

10. Bjom F. Andersen, Gabor F. Fulop, Marija Strojnik, Editors. Proc. SPIE, 2000, vol.4130, p. 480-495.

11. Online: http://www.qsl.net/wb9ajz/laser/data/atmosphe.gif

12. Физический энциклопедический словарь/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.М.Алексеев, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М., Сов. энциклопедия, 1983. - 928 с.

13. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. 2-е изд. - М., "Наука", 1976. - 392 с.

14. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. 2-е изд., JI., 1975.

15. Тарасов К.И. Спектральные приборы. 2-е изд., Л., 1977.

16. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. — 2-е изд. М., Изд-во МГУ, 1986.-352 с.

17. Ковалев А. В., Федчишин В. Г., Щербаков М. И. Тепловидение сегодня.

18. Для удобства идентификации публикаций, сделанных с участием автора, все ссылки на такие работы в тексте, а также в списке литературы, помечены "звездочкой".

19. Специальная техника, 1999, № 3, с. 13-18.

20. Ковалев А. В., Федчишин В. Г., Щербаков М. И. Тепловидение сегодня. — Специальная техника, 1999, № 4, с. 19-23.

21. Kimata М., Tubouchi N. Schottky-barrier photoemissive detectors. — In: Infrared Photon Detectors, Antoni Rogalski, Editor, SPIE Optical Engineering Press, 1995, p. 299-350.

22. Audebert Р., Giotta D., Mottin Е., Rambaud P., Marion F. 640x480 МСТ 3-5 pm snapshot focal plane array. Part of the SPIE Conference on Infrared Detectors and Focal Plane Arrays V, Orlando, Florida, April 1998. - SPIE, 1998, vol. 3379, p. 577-585.

23. Hoffman A., Randall D. High-performance 256x256 InSb FPA for astronomy. — SPIE, 1991, vol. 1540, p. 297-302.

24. Kondoh Y., Togasaki Т., Saito M. A flip chip interconnection technique using indium alloy bumps for a newly designed CCD module. Proc. IMC, Yokahama, 1992, p. 120.

25. Chance D. Fluxless C4 joints and reflow without degradation. — IBM Tech. Bui., 1980, vol. 23, no. 7, p. 2990.

26. Г.Л.Курышев, А.П.Ковчавцев, Н.А.Валишева. Электронные свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе InAs. ФТП, 2001, т. 35, вып. 9, с. 1111-1119.

27. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазо-на/В.Н.Овсюк, Г.Л.Курышев, Ю.Г.Сидоров и др. Новосибирск: Наука, 2001.-376 с.

28. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения/ Под ред. П.Йесперса, Ф. Ван де Виле, М.Уайта. М.: Мир, 1979. - 575 с.

29. Barbe D.F. Imaging devices using the charge-coupled concept. Proc. IEEE,1975, vol. 63, no. 1, p. 38-67.

30. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ./Под ред. Д.Ф.Барба. М.: Мир, 1982.-240 с.

31. Burke Н.К., Michon G.J. Solid state imaging apparatus. U.S. Patent, № 3993897; Nov. 23, 1976; Intern. Class H01J 039/12; filed Nov. 26, 1975, Appl. № 635703.

32. Howard P.E., Kim J.C., Sippach H.G. Accumulation mode charge injection infrared sensor. U.S. Patent, № 4004148; Jan. 18, 1977; Intern. Class G01J 001/00, GO IT 001/22; filed Feb. 2, 1976, Appl. № 654512.

33. Milton A.F., Hess M.R. Series-parallel scan, IR, CID, focal-plane array. U.S. Patent, № 4054797; Oct. 18, 1977; Intern. Class G01T 001/24; filed Sep. 23,1976, Appl. № 725769.

34. Quantitative InfraRed Thermography QIRT 92, Proceedings of the Eurotherm Seminar no. 27, July 7-9, 1992, Chatenay-Malabry, France. D.Balageas, G.Busse, and G.M.Carlomagno, editors. ONERA, 1992, 420 pp.

35. Pierre C., Deltour R., Van Bentum J., Perenboom J.A.A.J. Electrical-conduction mechanisms in polymer-copper-particle composites. II. (l/f)-noise measurements in the percolation limit. Phys. Rev. B, 1990-11, vol. 42, no. 6, p. 3386-3394.

36. Cerisier P., Rahal S., Rivier N. Topological correlations in Benard-Marangoni convective structures. Phys. Rev. E, 1996, vol. 54, no. 5, p. 5086-5094.

37. Eich Т., Herrmann A., Neuhauser J., ASDEX Upgrade Team. Nonaxisymmetric energy deposition pattern on ASDEX upgrade divertor target plates during type-I edge-localized modes. Phys. Rev. Lett., 2003, vol. 91, no. 19, p. 195003 (1-4).

38. Bendada A., Zheng C.Q., Nardini N. Investigation of temperature control parameters for inductively heated semi-solid light alloys using infrared imaging and inverse heat conduction. J. Phys. D: Appl. Phys., 2004, vol. 37, no. 7, p. 1137— 1144.

39. Jaeger M.S., Mueller Т., Schnelle T. Thermometry in dielectrophoresis chips for contact-free cell handling. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, p. 95105.

40. Deng Z.-S., Liu J. Blood perfusion-based model for characterizing the temperature fluctuation in living tissues. Physica A, 2001, vol. 300, p. 521-530.

41. Deng Z.-S., Liu J. Mathematical modeling of temperature mapping over skin surface and its implementation in thermal disease diagnostics. — Comput. Biol. Med., 2004, vol. 34, no. 6, p. 495-521.

42. Wu Z., Liu H.H., Lebanowski L., Liu Z., Ног P.H. A basic step toward understanding skin surface temperature distributions caused by internal heat sources. — Phys. Med. Biol., 2007, vol. 52, no. 17, p. 5379-5392.

43. Salvaggio C., Miller C. J. Comparison of field and laboratory collected midwave and longwave infrared emissivity spectra / data reduction techniques. Proc. SPIE, 2001, vol. 4381, p. 549-558.

44. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ./Под ред. С.Зи. — М.: Мир, 1986.-404 с.

45. Shimbo М., Furukawa К., Fukuda К., Tanzawa К. Silicon-to-silicon direct bonding method. J. Appl. Phys., 1986, vol. 60, no. 8, p. 2987-2989.

46. Lasky J. B. Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies. Appl. Phys. Lett., 1986, vol. 48, p. 78-80.

47. Shimbo M., Furukawa K., Fukuda K. A newly developed silicon to silicon direct adhesion method. In: Ext. Abs. 169th Electrochem. Soc. Mtg., 1986, p. 337338.

48. Nakagawa A., Watanabe K., Yamaguchi Y. 1800V bipolar-mode MOSFETs: A first application of silicon wafer direct bonding (SDB) technique to a power device. -In: 1986 IEEE IEDM Tech. Dig., 1986, p. 122-125.

49. Hower P.L. Power semiconductor devices: an overview. — Proc. IEEE, 1988, vol. 76, no. 4, p. 335-342.

50. Yun C., Kim S., Kwon Y., Kim T. High performance 1200 V PT IGBT with improved short-circuit immunity. Proceedings of the 10th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 1998, ISPSD 98, 3-6 June, 1998, p. 261-264.

51. Detjen D., Schroder S., De Doncker R.W. New high-power BIMOS-devices based on silicon-silicon bonding. — Conference Record of the Industry Applications Conference, 2002. 37th IAS Annual Meeting. Vol. 3, 13-18 October 2002, p. 2152-2158.

52. Ohoka Т., Yoshitake Т., Kikuchi H., Okonogi K. A wafer bonded SOI structure for intelligent power ICs. — Proceedings of the 5th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 1993, ISPSD '93, 18-20 May 1993, p. 119-123.

53. Ohashi H., Furukawa K., Atsuta M., Nakagawa A., Imarnura K. Study of Si-wafer directly bonded interface effect on power device characteristics. In: 1987 IEEE IEDM Tech. Dig., 1987, p. 678-681.

54. Abe Т., Katayama M. Bonded SOI technologies for high voltage applications. — 8th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 1996. ISPSD '96 Proceedings., 20-23 May 1996, p. 41-49.

55. Bengtsson S., Engstrom O. Low-temperature preparation of silicon/silicon interfaces by the silicon-to-silicon direct bonding method. J. Electrochem. Soc., 1990, vol. 137, no. 7, p. 2297-2303.

56. Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов B.A. Контроль качества интерфейса методом лазерного сканирования при прямом сращивании кремниевых пластин. ФТП, 1991, т. 25, № 2, с. 208-216.

57. Bollmann D., Landesberger С., Ramm P., Haberger К. Analysis of wafer bonding by infrared transmission. Japan. J. Appl. Phys., 1996, vol. 35, pt. 1, no. 7, p. 3807-3809.

58. Lawson R. Implications of surface temperatures in the diagnosis of breast cancer. Can. Med. Assoc. J., 1956, vol. 75, no. 4, p. 309-311.

59. Lawson R. Thermography; a new tool in the investigation of breast lesions. — Can. Serv. Med. J., 1957, vol. 8, no. 8, p. 517-524.

60. Lecerof H., Bornmyr S., Lilja В., De Pedis G., Hulthen U.L. Acute effects ofdoxazosin and atenolol on smoking-induced peripheral vasoconstriction in hypertensive habitual smokers. J. Hypertens. Suppl., 1990, vol. 8, no. 5, p. S29-S33.

61. Tham T.C., Silke В., Taylor S.H. Comparison of central and peripheral haemody-namic effects of dilevalol and atenolol in essential hypertension. — J. Hum. Hypertens., 1990, vol. 4, Suppl. 2, p. 77-83.

62. Fushimi H., Inoue Т., Yamada Y., Matsuyama Y., Kubo M., Kameyama M. Abnormal vasoreaction of peripheral arteries to cold stimulus of both hands in diabetics. Diabetes Res. Clin. Pract., 1996, vol. 32, no. 1-2, p. 55-59.

63. Mabuchi K. Clinical significance of thermography a non-invasive and non-contact method to evaluate peripheral circulatory function in the diagnosis of diabetic complications. - Nippon Rinsho, 1990, vol. 48, Suppl, p. 580-587.

64. Лихтерман Л. Б. Ультразвуковая томография и тепловидение в нейрохирургии. М.: Медицина, 1983. - 143 с.

65. Колесов С. Н. Диагностические возможности тепловидения в нейрохирургии: Автореф. дис. канд. мед. наук. — М.: 1980. 28 с.

66. Steketee J. Spectral emissivity of skin and pericardium. Phys. Med. Biol., 1973, vol. 18, no. 5, p. 686-694.

67. Steketee J. The influence of cosmetics and ointments on the spectral emissivity of skin. -Phys. Med. Biol., 1976, vol. 21, no. 6, p. 920-930.

68. Togawa T. Non-contact skin emissivity: measurement from reflectance using step change in ambient radiation temperature. Clin. Phys. Physiol. Meas., 1989, vol. 10, no. l,p. 39-48.

69. Основы клинической дистанционной термодиагностики. / Под ред. д-ра мед. наук Л.Г.Розенфельда. Киев, "Здоровья", 1988. -223 с.

70. Драгун В.Л., Филатов С.А. Вычислительная термография. Применение в медицине. Минск, "Навука i Тэхшка", 1992, 232 с.

71. Клиническое тепловидение/В.П.Мельникова, М.М.Мирошников, Е.Б.Брюнелли, В.Г.Воронов, Н.В.Гончар, О.А.Козлов, А.А.Мошкалов,

72. Б.М.Никифоров, Е.М.Рождественская, Ю.И.Строев, В.Ф.Суханова. СПб.: ГОИ им. С.И.Вавилова, 1999.-124 е., ил.

73. Online: http://vAvw.comp.glam.ac.uk/pages/staff'pplassma/Medlmaging/News/ ComebackOfIR.htm

74. Zontak A., Sideman S., Verbitsky О., Beyar R. Dynamic thermography: analysis of hand temperature during exercise. Ann. Biomed. Eng., 1998, vol. 26, no. 6, p. 988-993.

75. Stuttgen G., Eilers J. Reflex heating of the skin and telethermography. Arch. Dermatol. Res., 1982, vol. 272, no. 3-4, p. 301-310.

76. Shuran M., Nelson R.A. Quantitation of energy expenditure by infrared thermography. -Am. J. Clin. Nut., 1991, vol. 53, p. 1361-1367.

77. Cassis L.A., Marshall D.E., Fettinger M.J., Rosenbluth В., Lodder R.A. Mechanisms contributing to angiotensin II regulation of body weight. Am. J. Physiol., 1998, vol. 274, no. 5, p. E867-E876.

78. Adams A.K., Nelson R.A., Bell E.F., Egoavil C.A. Use of infrared thermographic calorimetry to determine energy expenditure in preterm infants. — Am. J. Clin. Nutr., 2000, vol. 71, p. 969-977.

79. Klede M., Handwerker H.O., Schmelz M. Central origin of secondaiy mechanical hyperalgesia. J. Neurophysiol., 2003, vol. 90, no. 1, p. 353-359.

80. Nagashima K., Nakai S., Matsue K., Konishi M., Tanaka M., Kanosue K. Effects of fasting on thermoregulatory processes and the daily oscillations in rats. — Am. J. Physiol. Regul. Integr. Сотр. Physiol., 2003, vol. 284, p. R1486-R1493.

81. Allen J. A., Grimley J. F., Roddie I. C. A body balance to measure sweat rates in man. -Biomed. Eng., 1971, vol. 6, no. 10, p. 468-471.

82. Большая медицинская энциклопедия: В 30 т. / АМН СССР; Гл. ред. Б.В. Петровский. 3-е изд. - М.: Советская энциклопедия. — Т. 20: Пневмопек-сия-Преднизолон. — 1983. - 560 с.

83. Ponten В. Quantative measurements of sweat gland activity using the ninhydrin method. Acta Physiol. Scand., 1960, vol. 48, p. 20-28.

84. Ahcan U., Arnez Z.M., Bajrovic F., Janko M. Contribution of collateral sprouting to the sensory and sudomotor recovery in the human palm after peripheral nerve injury. Br. J. Plast. Surg., 1998, vol. 51, no. 6, p. 436-443.

85. Rovensky J., Toman M. A colorimetric contact method for measurement of insensible skin perspiration. — Hautarzt., 1962, vol. 13, p. 464-467.

86. De Marinis M., Stocchi F., Testa S.R., De Pandis F., Agnoli A. Alterations of thermoregulation in Parkinson's disease. Funct Neurol., 1991, vol. 6, no. 3, p. 279-283.

87. Takano S., Kondo N., Shibasaki M., Aoki K., Inoue Y., Iwata A. The influence of work loads on regional differences in sweating rates. — Jpn. J. Physiol., 1996, vol. 46, no. 2, p. 183-186.

88. Kenny G. P., Periard J., Journeay W. S., Sigal R. J., Reardon F. D. Effect of exercise intensity on the postexercise sweating threshold. J. Appl. Physiol., 2003, vol. 95, no. 6, p. 2355-2360.

89. Kellogg D. L. Jr, Johnson J. M., Kenney W. L., Pergola P. E., Kosiba W. A. Mechanisms of control of skin blood flow during prolonged exercise in humans. — Am. J. Physiol. Heart Circul. Physiol., 1993, vol. 265, no. 2, p. H562-H568.

90. Kingston J. K., Geor R. J., McCutcheon L. J. Use of dew-point hygrometry, direct sweat collection, and measurement of body water losses to determine sweating rates in exercising horses. — Am. J. Vet. Res., 1997, vol. 58, no. 2, p. 175-181.

91. Ariagno R. L., Glotzbach S. F., Baldwin R. В., Rector D. M., Bowley S. M., Moffat R. J. Dew-point hygrometry system for measurement of evaporative water loss in infants. J. Appl. Physiol., 1997, vol. 82, no. 3, p. 1008-1017.

92. Шато-Тьери M. Фруктовые кислоты. — Новости эстетики (les Nouvelles Esthetiques, русское издание), 1998, № 1, с. 43-44.

93. Schmitt J. M. Array detection for speckle reduction in optical coherence microscopy. -Phys. Med. Biol., 1997, vol. 42, no. 7, p. 1427-1439.

94. Wilmsen С. W., Szpak S. MOS processing for Ш-V compound semiconductors: overview and bibliography. Thin Solid Films, 1977, vol. 46, no. 1, p. 17-45.

95. Манохина Г.А., Павлова 3.B., Кузнецов Ю.А. Диэлектрики в разработке и производстве приборов на антимониде индия. — Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборыю — 1979, вып. 6 (652). 59 с.

96. Schmid К., Ryssel Н., Muller Н., Wiedeburg К.Н., Betz Н. Properties of А1203 and Si02 surface layers on InSb, investigated by back-scattering techniques. — Thin Solid Films, 1973, vol. 16, no. 2, p. S11-S12.

97. Fischer J. E. MOS capacitors for surface barrier electroreflectance measurements.- Rev. Sci. Instrum., 1971, vol. 42, no. 6, p. 872-877.

98. Kim J. C. Interface properties of InSb MIS structures. IEEE Trans, on Parts, Hybrids and Packaging. - 1974, vol. PHP-10, no. 4, p. 200-207.

99. Anderson G. W., Schmidt W. A., Comas J. Composition, chemical bonding, and contamination of low temperature SiOxNy insulating films. J. Electrochem. Soc, 1978, vol. 125, no. 3, p. 424-430.

100. Korwin-Pawlowski M. L., Heasell E. L. Characteristics of MOS capacitors formed on p-type InSb. Phys. Stat. Solidi (a), 1974, vol. 24, no. 2, p. 649-652.

101. Sewell H., Anderson J. C. Slow states in InSb/SiOx thin film transistors. SolidState Electron., 1975, vol. 18, no. 7/8, p. 641-649.

102. Shappir J., Margalit S., Kidron I. p-Channel MOS transistor in indium antimonide.- IEEE Trans. Electron Dev., 1975, vol. ED-22, no. 10, p. 960-961.

103. Olcaytug F., Riedling K., Fallmann W. C/V measurements on M.I.S. structures on n-InSb formed by room temperature reactive deposition of SisN4. Electronics Lett., 1980, vol. 16, no. 17, p. 677-678.

104. Shinoda Y., Kobayashi T. CVD A1203 films on III-V binary semiconductors. — Japan. J. Appl. Phys., 1980, vol. 19, no. 6, p. L299-L301.

105. Waiden R. Н. A method for the determination of high-field conduction laws in insulating films in the presence of charge trapping J. Appl. Phys., 1972, vol. 43, no. 3,p. 1178-1186.

106. Fowler R. H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields. — Proc. Roy. Soc., 1928, vol. 119, no. A781,p. 173-181.

107. Weinberg Z. A., Johnson W. C., Lampert M. A. High-field transport in Si02 on silicon induced by corona charging of the unmetallized surface. — J. Appl. Phys., 1976, vol. 47, no. 1, p. 248-255.

108. Weinberg Z. A. On tunneling in metal-oxide-silicon structures. J. Appl. Phys., 1982, vol. 53, no. 7, p. 5052-5056.

109. Korneffel В., Ludwig W. Energy-momentum dispersion in A1203 tunneling structures. -Phys. Stat. Solidi (a), 1972, vol. 9, no. 1, p. 201-206.

110. Krag W. E., Phelan R. J., Dimmock J. O. Effects of light on the charge state of InSb -MOS devices. J. Appl. Phys., 1969, vol. 40, no. 9, p. 3661-3667.

111. Гуга К. Ю., Малютенко В. К., Саченко А. В., Чайкин В. И. Фотопроводимость InSb с окисленной поверхностью. — УФЖ, 1977, т. 22, № 3, с. 507-509.

112. Но P., Lehovec К., Fedotowsky L. Charge motion on silicon oxide surfaces. — Surface Sci, 1967, vol. 6, no. 4, p. 440^60.

113. Heimann P. A., Olsen J. E. A sensitive method for measuring surface conductivity of insulators. J. Appl. Phys., 1982, vol. 53, no. 1, p. 546-549.

114. Hofstein S. R., Zaininger К. H., Warfield G. Frequency response of the surface inversion layer in silicon. Proc. IEEE, 1964, vol. 52, no. 8, p. 971-972.

115. Nicollian E. H., Goetzberger A. Lateral a. c. current flow model for metal insulator - semiconductor capacitors. - IEEE Trans. Electron Dev., 1965, vol. ED-12, no. 3, p. 108-117.

116. Goetzberger A. Ion drift in the fringing field of MOS capacitors. Solid - State Electron., 1966, vol. 9, no. 9, p. 871-878.

117. Блаут-Блачев A. H., Иглицын M. И., Ивлева В. С., Селянин В. И. Исследование рекомбинационных свойств InSb п-типа. — ФТП, 1975, т. 9, вып. 2, с. 374-376.

118. Zitter R. N., Strauss A. J., Attard А. Е. Recombination processes in p-type indium antimonide. Phys. Rev., 1959, vol. 115, no. 2, p. 266-273.

119. Chopra К. L., Major S., Pandya D. К. Transparent conductors a status review. — Thin Solid Films, 1983, vol. 102, no. 1, p. 1-46.

120. Nath P., Bunshah R. F. Preparation of ln203 and tin-doped 1п20з films by a novel activated reactive evaporation technique. — Thin Solid Films, 1980, vol. 69, p. 6368.

121. Chamonal J. P., Audebert P., Destefanis G., Medina P., Ravetto M., Deschamps J., Girard M., Chatard J.-P. Long MWIR HgCdTe butted linear arrays. Proc. SPIE, 1997, vol. 3061, p. 467-475.

122. Burstein E. Anomalous optical absorption limit in InSb. Phys. Rev, 1954, vol. 93, p. 632-633.

123. Moss T. S. The Interpretation of the properties of indium antimonide. — Proc. Phys. Soc., 1954, vol. В 67, no. 10, p. 775-782.

124. Dixon J. R., Ellis J. M. Optical properties of n-type indium arsenide in the fundamental absorption edge region. Phys. Rev., 1961, v. 123, no. 5, p. 1560-1566.

125. Зотова H. В., Наследов Д. H., Неуймина JI. Д. Край поглощения n-InAs при 300 и 100° К. ФТП, 1971, т. 5, № 11, с. 2111-2115.

126. Online: http://www.ioffe.rssi.rU/SVA/NSM/Semicond/InAs/electric.html# Recombination

127. Woolaway J. Т. New sensor technology for the 3- to 5-pm imaging band. — Photonics Spectra, 1991, vol. 25, no. 2, p. 113-119.

128. Криксунов JI. 3. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978.-400 с.

129. Schrader В. Raman/Infrared atlas of organic compounds, Second edition. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, 1120 pp.

130. Taubkin 1.1., Trishenkov M. A., Vasilchenko N. V. Minimum temperature difference detected by the thermal radiation of objects. Infrared Phys. Technol., 1994, vol. 35, no. 5, p. 715-732.

131. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. М., Мир, 1967, 480 с.

132. Brodie I., Muray J. J. The physics of microfabrication. — Plenum, New York, ch. 6, 1982.-528 pp.

133. Hung R.Y., Yon E.T. Surface study of anodized indium antimonide. J. Appl. Phys., 1970, vol. 41, no 5, p. 2185-2189.

134. Вавилов В. С., Плотников А. Ф., Шубин В. Э. Перезарядка ловушек оксида InSb в структурах Аи оксид InSb - InSb. - ФТП, 1971, т. 5, вып. 11, с. 20642069.

135. Buxo J., Esteve D., Farre J., Sarrabayrouse G., Simonne J. A model for the large-amplitude hysteresis in MIS structures on InSb. Appl. Phys. Lett., 1978, vol. 33, no. 11, p. 969-971.

136. Букингем M. Шумы в электронных приборах и системах: Пер. с англ.- М.: Мир, 1986.-399 с.

137. Космическое оружие: дилемма безопасности /Под ред. Е.П.Велихова, Р.З.Сагдеева, А.А.Кокошина. -М.: Мир, 1986. 182 с.

138. Клименко А. Г., Новоселов А. Р. Скрайбирование поверхности кремниевого кристалла излучением импульсного ультрафиолетового лазера на микронных расстояниях от активных элементов. — Автометрия, 1998, № 4, с. 113—

139. Клименко А. Г., Новоселов А. Р., Торлин М. А. Исследование зоны термического поражения в CdHgTe и Si вблизи лазерных кратеров при ультрафиолетовом облучении наносекундными импульсами. — Автометрия, 1998, № 5, с. 78-85.

140. Датчик излучения. Пат. Японии (JP) заявка № 57-55225, МКИ: Н 01 L 27/14; Н 04 N 3/14. (заявлено 29.05.1974; заявитель Дженерал Электрик Компани; Приоритет США 29.05.1973 364346, 29.05.1973 364345; опубл. 22.11.1982 г.)

141. Gibbons М. D., Wang S. С. Status of CID InSb detector technology. Proc. SPIE, 1984, vol. 443, p. 151-166.

142. Michon G. J., Elchelberger C. W. Method and apparatus for sensing radiation and providing electrical readout. U.S. Patent 3, 805, 062 (Apr. 16, 1974) H 01 J 39/12.

143. Anagnostopoulos C. N. Charge injection device readout. U.S. Patent, № 4079422; Mar. 14, 1978; Intern. Class H04N 005/30; filed Oct. 12, 1976, Appl. № 731077.

144. Michon G. J., Burke H. K. Operational characteristics of CID imager. ISSCC Dig. Tech. Papers, Feb. 1974, p. 26-27.

145. Демидов Ю. П., Заргарьянц M. Н., Киселев А. А., Колоненкова С. И. Диаграмма направленности излучения полупроводниковой многослойной структуры. -Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 12, с. 169-172.

146. Мишкин В. П., Филатов Д. О., Некоркин С. М., Кутергина Ю. В. Влияние селективного химического травления на диаграмму направленности излучения полупроводникового лазера. ЖТФ, 2004, т. 74, вып. 7, с. 78-80.

147. Vasil'eva Е. D., Rubashkin Ju. A., Bogdanov A. A., Lin'kov А. Е., Kalinichev К. Ju. Light-emitting diode incorporating optical component. Patent RU 2 265 917 CI. Date of publication: 10.12.2005, Bull. 34; eff. date prop, rights: 02.12.2004.

148. Kozlowska A. Infrared imaging of semiconductor lasers. — Semicond. Sci. Technol., 2007, vol. 22, p. R27-R40.

149. Brambilla M., Battipede F., Lugiato L. A., Penna V., Prati F., Tamm C., Weiss C. O. Transverse laser patterns. 1. Phase singularity crystals. Phys. Rev. A, 1991, vol. 43, no. 9, p. 5090-5113.

150. Chen Y. F., Jiang С. H., Lan Y. P., Huang K. F. Wave representation of geometrical laser beam trajectories in a hemiconfocal cavity. — Phys. Rev. A, 2004, vol. 69, p. 053807 (1-6).

151. Habraken S. J. M., Nienhuis G. Modes of a twisted optical cavity. Phys. Rev. A, 2007, vol. 75, p. 033819 (1-11).

152. Weiss С. O., Telle H. R., Staliunas K., Brambilla M. Restless optical vortex. -Physical Review A, 1993, vol. 47, no. 3, p. R1616-R1619.

153. Moseley R. R., Shepherd S., Fulton D. J., Sinclair B. D., Dunn M. H. Electromag-netically-induced focusing. Phys. Rev. A, 1996, vol. 53, no. 1, p. 408-415.

154. Kennedy S. A., Szabo M. J., Teslow H., Porterfield J. Z., Abraham E. R. I. Creation of Laguerre-Gaussian laser modes using diffractive optics. Phys. Rev. A, 2002, vol. 66, p. 043801(1-5).

155. Norgard J. D., Metzger D. W., Cleary J. C., Seifert M. F. Infrared/microwave correlation measurements. Proc. SPIE, 1991, vol. 1540, p. 699-708.

156. Norgard J. D., Musselman R. Direct infrared measurements of phased-array antenna source distributions. Proc. SPIE, 2003, vol. 5073, p. 231-242.

157. Gonzalez J. M., Navarro M., Puente C., Romeu J., Aguasca A. Active zone self-similarity of fractal-Sierpinski antenna verified using infra-red thermograms. — Electronics Letters, 1999, vol. 35, no. 17, p. 1393-1394.

158. Винокуров H. А., Князев Б. А., Кулипанов Г. H., Матвеенко А. Н., Попик В.

159. М., Черкасский В. С., Щеглов М. А. Визуализация излучения мощного тера-герцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра. ЖТФ, 2007, т. 77, вып. 7, с. 91-100.

160. Levesque P., Deom A., Balageas D. NDE of absorbing materials using microwave stimulated infrared thermography. In: QIRT 92, ed. D.Balageas, G.Busse, and G.M.Carlomagno, Editions Europ. Thermique et Industrie. - 1992, Paris, p. 302— 307.

161. Miotto R., Ferraz A. C., Srivastava G. P. Acetylene adsorption on the Si(001) surface. -Phys. Rev. B, 2002, vol. 65, no. 7, p. 075401(1-11).

162. Vartapetyan R. Sh., Voloshchuk A. M. The mechanism of the adsorption of water molecules on carbon adsorbents. Russ. Chem. Rev., 1995, vol. 64, no. 11, p. 985-1001.

163. Berezin G. I., Vartapetyan R. Sh., Voloshchuk A. M., Petukhova G. A., Polyakov N. S. A model of the two-stage condensation mechanism of water adsorption on nonporous carbon adsorbents. Russ. Chem. Bull., 1998, vol. 47, no. 10, p. 18791885.

164. Cho J.-H., Kleinman L., Jin K.-j., Kim K. S. Theoretical study of water adsorption on the Ge(100) surface. Phys. Rev. B, 2002, vol. 66, no. 11, p. 113306 (1^1).

165. Park J. M., Cho J.-H., Kim K. S. Atomic structure and energetics of adsorbed water on the NaCl(OOl) surface. Phys. Rev. B, 2004, vol. 69, p. 233403 (1^1).

166. Wang S., Cao Y., Rikvold P. A. First-principles calculations for the adsorption of water molecules on the Cu(100) surface. Phys. Rev. B, 2004, vol. 70, no. 20, p. 205410 (1-5).

167. Song X., Zhai J., Wang Y., Jiang L. Fabrication of superhydrophobic surfaces by self-assembly and their water-adhesion properties. — J. Phys. Chem. B, 2005, vol. 109, no. 9, p. 4048-4052.

168. Lee E.-C., Kim Y.-S., Jin Y.-G., Chang K. J. First-principles study of hydrogen adsorption on carbon nanotube surfaces. — Phys. Rev. B, 2002, vol. 66, no. 7, p. 073415 (1^4).

169. Online: http://www.diagnost.ru/Termovision%20articles/10.htm.

170. Ren Y. J., Ruckman J. E. Water vapour transfer in wet waterproof breathable fabrics. J. Industr. Text., 2003, vol. 32, no. 3, p. 165-175.

171. Ruckman J. E. Water vapour transfer in waterproof breathable fabrics: Part 1: under steady-state conditions. Intern. J. Cloth. Sci. Techn., 1997, vol. 9, no. 1, p. 10-22.

172. Wiecek B., Owczarek G., Danych R., Zwolenik S. Infrared systems for fast thermal process investigation. Proc. SPIE, 2003, vol. 5073, p. 495-504.

173. Zimniewska M., Michalak M., Krucinska I., Wiecek B. The physical properties of the surface of apparel made from flax and polyester fibres. Intern. J. Cloth. Sci. Techn., 2003, vol. 15, no. 3/4, p. 284-294.

174. Online: http://www.infraredinc.com/apps/apps8.html.

175. Cassie A. B. D. Physics and textiles. Rep. Prog. Phys., 1944, vol. 10, p. Mini.

176. Калитеевский H. И. Волновая оптика: Учеб. пособие для ун-тов. Изд. 2-е, испр. и доп. М., Высш. шк., 1978. - 383 с.

177. Stengl R., Ahn K.-Y., Gosele U. Bubble-free silicon wafer bonding in a non-cleanroom environment. Jap. J. Appl. Phys., 1988, vol. 27, no. 12, p. L2364— L2366.

178. Lehmann V., Mitani K., Stengl R., Mii Т., Gosele U. Bubble-free wafer bonding of GaAs and InP on silicon in microcleanroom. Jap. J. Appl. Phys., 1989, vol. 28, no. 12, p. L2141—L2143.

179. Kastner G., Akatsu Т., Senz S., Plosl A., Gosele U. Large-area wafer bonding of GaAs using hydrogenand ultrahigh vacuum atmospheres. Appl. Phys., 2000, vol. A70, p. 13.

180. Mitani K., Lehmann V., Stengl R., Feijoo D., Gosele U. M., Massoud H. Z. Causes and prevention of temperature-dependent bubbles in silicon wafer bonding. -Jap. J. Appl. Phys., 1991, vol. 30, no. 4, p. 615-622.

181. Вавилов В. П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник.

182. М.: Машиностроение, 1991. -240 с.

183. Oliferuk W. Investigation of metal deformation using thermography. In.: QIRT'98, Proceedings of Eurotherm Seminar No.60, Lodz, Poland, September 710, 1998. D.Balageas, G.Busse, G.M.Carlomagno, editors. Lodz, PKOpto SEP, 1998, p. 134-139.

184. Никифоров А. В., Клявин О. В. Разогрев кристаллических материалов в процессе их деформации при Т=4.2 К. ФТТ, 1976, т. 18, вып. 4, с. 1167-1169.

185. Малыгин Г. А. Локальный разогрев кристаллов при низкотемпературной деформации. ФТТ, 1977, т. 19, вып. 10, с. 3152-3155.

186. Quantitative InfraRed Thermography, Italy, Padova, June 28-30, 2006. Italy, 2006, 6 pp. - Proceedings on-line: http://qirt.gel.ulaval.ca/archives/qirt2006/papers/051 .pdf

187. Erdmann J. C., Jahoda J. A. Stored energy of plastic deformation at 4.2 К in Cu-Ni alloys. Appl. Phys. Lett., 1964, vol. 4, p. 204-205.

188. Nakada Y. Orientation dependence of energy dissipation during plastic deformation of F.C.C. crystals. Phil. Mag., 1965, vol. 11, p. 251-261.

189. Alaverdieva S., Krivova A. Antioxidant balance in cosmetic formulations. — Cosmetics & Medicine (English edition), 1999, no. 1, p. 11-15.

190. Григорьев А. И., Орлов О. И., Логинов В. А., Дроздов Д. В., Исаев А. В., Ре-вякин Ю. Г., Суханов А. А. Клиническая телемедицина. М.: Фирма "Слово", 2001.-144 с.

191. О телемедицине и информационной политике в области охраны здоровья граждан Российской Федерации. Материалы парламентских слушаний 20 мая 2002 г./Под общ. ред. акад. РАМН Н.Ф.Герасименко. М.: Фирма "Слово", 2002.-164 с.

192. Guidi A. J., Schnitt S. J. Angiogenesis in preinvasive lesions of the breast. The Breast J., 1996, vol. 2, p. 364-369.

193. Anbar M. Hyperthermia of the cancerous breast: Analysis of mechanism. Cancer Lett., 1994, vol. 84, no. 1, p. 23-29.

194. Benko I. Histographical analysis of infrared images for medical diagnosis. — 8th Int. Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry. — Budapest, Hungary, 1993. p. 307-308.

195. Whipp B. J., Wasserman K. Efficiency of muscular work. J. Appl. Physiol., 1969, vol. 26, no. 5, p. 644-648.

196. Torii M., Yamasaki M., Sasaki Т., Nakayama H. Fall in skin temperature of exercising man. Br. J. Sports Med., 1992, vol. 26, no. 1, p. 29-32.

197. Иванов К.П. Основы энергетики организма: Теоретические и практические аспекты. Том 1. Общая энергетика, теплообмен и терморегуляция. Л.: Наука, 1990, 307 с.

198. Johnson J. М. Exercise and the cutaneous circulation. Exerc. Sport Sci. Rev., 1992, vol. 20, p. 59-97.

199. Veghte J. H., Adams W. C., Bernauer E. M. Temperature changes during exercise measured by thermography. — Aviat. Space Environ. Med., 1979, vol. 50, no. 7, p. 708-713.

200. Kondo N., Shibasaki M., Aoki K., Koga S., Inoue Y., Crandall C. G. Function of human eccrine sweat glands during dynamic exercise and passive heat stress. — J. Appl. Physiol., 2001, vol. 90, no. 5, p. 1877-1881.

201. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. — Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001, 464 с.

202. Barclay V. J., Bonner R. F. Application of wavelet transforms to experimental spectra: smoothing, denoising, data set compression. Anal. Chem., 1994, vol. 69, p. 78-90.

203. Pennes H. H. Analysis of tissue and arterial blood temperature in the resting human forearm. J. Appl. Physiol., 1948, vol. 1, p. 93-102.

204. Глумов H. И., Капишников А. В. Компьютерная обработка сцинтиграфиче-ских изображений легких. Компьютерная оптика, ИСОИ РАН, Самара, 2003, вып. 25, с. 158-164.