60 лет назад распустился «Клевер». Юбилей первого отечественного фотодиода на германии

Следует отметить, что идея применения оптического канала для управления ракетной техникой высказывалась основоположником космонавтики К. Э. Циолковским еще в начале XX столетия. В 1903 г он писал: «...Возможно употребить для этой цели... силу солнечных лучей, сосредоточенных с помощью двояковыпуклого стекла. Каждый раз, когда снаряд с трубой поворачивается, маленькое изображение Солнца меняет свое относительное положение в снаряде, что может возбудить... электрический ток..., восстанавливающий направление трубы, при котором светлое пятно падает на нейтральное, так сказать, нечувствительное место механизма».

Вторую половину 1950-х годов следует признать переломным для всей истории развития отечественной инфракрасной техники — на­чинается бурное развитие управляемого ракетного оружия с использованием полупроводниковых фотоприемников лучистой энергии. Первые попытки создать реактивные снаряды с инфракрасным наведением в СССР относятся к середине 1950-х годов. Сначала с ис­пользованием многокаскадных электронно-оптических преобразователей разрабатывалась авиационная ракета для поражения аэростатов В 1956-1958 годах в московском НИИ 801 (организованный в 1946 г на базе ВЭИ специализированный институт, ныне – НПО «Орион») были проведены разработки низкоуровневой телевизионной трубки для использования в головке самонаведения авиационной ракеты К-7. Исследовались и возможности использования освоенных к тому времени электронно-оптических преобразователей (ЭОП) для создания авиационной ракеты К-8 с инфракрасным наведением в ближней ИК-области (до1,5 мкм) для поражения самолетов противника. Однако серьезными успехами эти попытки не увенчались. Большие линейные размеры многокаскадных ЭОП, наличие хруп­ких стеклянных элементов конструкции, а главное — недостаточная чувствительность в области длин волн более одного микро­на, не позволяли надеяться на создание инфракрасных головок само­наведения с дальностью действия, необходимой для авиационных при­менений. Требовался принципиально другой подход к разработке при­емника лучистой энергии, способного зарегистрировать тепловое излу­чение объекта в условиях сильной засветки Солнцем на расстояниях от нескольких до десятков километров.

Работы по созданию управляемого ракетного оружия с использова­нием полупроводниковых фотоэлектрических приемников начались в США в 1940 году в Центре военно-морских вооружений (US Naval Weapons Center). В 1953 году там были проведены первые испытания авиационной управляемой ракеты класса «воздух-воздух», а в 1956 го­ду ракета «Sidewinder» (AIM-9B) с инфракрасной головкой самонаведе­ния и неконтактным взрывателем на основе приемников из сернистого свинца поступила на вооружение ВВС и ВМФ США. Военно-воздуш­ные силы США впервые применили ее во время военного конфликта между Тайванем и континентальным Китаем в 1957-1958 годах

В дальнейшем ракета «Sidewinder» широко использовалась во время вьетнамской войны. Вскоре анало­гичная управляемая авиационная ракета «Firestreak» для поражения воздушных целей была создана в Великобритании. Это положило на­чало развитию целого направления военной техники, в результате ко­торого было создано ракетное оружие класса «воздух-воз­дух» (многочисленные модификации ракеты «Sidewinder» и «Falcon» в США, в Великобритании появились «Red Тор», «Taledog», во Франции — «Matra», в Японии — ХААМ-А-3, в Швеции —- Rb28, а также зенитные ракеты «земля-воздух» для про­тивовоздушной обороны (в США — «Red Eye», «Chaparall» и др.).

Ракета «Sidewinder» (AIM-9B) с инфракрасной головкой самонаведе­ния

Это заложило основы тепловидения, сверхдаль­ней теплопеленгации, лазерной локации и дальнометрии, оптической связи и других современных направлений оптико-электронного прибо­ростроения, привело к созданию новых областей физики полупроводников. Началось быстрое развитие теплопеленгации в спект­ральных диапазонах 3 - и 8-14 мкм. В свою очередь это привело к созданию промышленной технологии антимонида индия, теллурида кад­мия-ртути, высокоомного и легированного германия и кремния, приемников на их основе.

В 1956 году в НИИ 801 началась работа по разработке германиевых фотодиодов с максимумом чувствительности порядка 1,5 мкм — НИР «Переход». К началу этих работ о технологии изготовления приемников на ос­нове «чистого» германия, чувствительных к инфракрасному излуче­нию, было известно довольно мало. В 1949-1950 годах германиевые фо­тодиоды, в которых направление светового пучка и плоскость р-п-перехода были параллельны, описал Дж. Н. Шрайв (J. N. Shrive, «Bell Laboratories»). В 1954 году были описаны свойства плоскостных фото­диодов, созданных в Ленинградском физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе путем высокотемпературной диффузии индия в плас­тины из монокристаллического германия (Ж. И. Алферов — в будущем Нобелевский лауреат, академик РАН, С. М. Рыбкин, Б. М. Коноваленко и др.).

Монокристаллический слиток германия       Фотодиод из германия

К тому времени в СССР уже существовала собственная германиевая промышленность, что сделало возможным успех проекта в целом. Начало работ по полупроводниковым материалам в Государственном институте редких металлов (Гиредмет, Москва) приходится на 1947 г., когда была поставлена задача обеспечения начинающей свое разви­тие твердотельной электроники германием высокой степени чистоты. В 1951 г. в Гиредмете соз­дается специализированная лаборатория германия, которую возглавила Н. М. Эльхонес. На на­чальном этапе основным направлением деятельности лаборатории являлось изучение сырьевых ресурсов германия в СССР и разработка технологий производства первичных германиевых кон­центратов и соединений германия высокой чистоты. Работы проводились под ру­ководством Н. П. Сажина. Были разработаны оригинальные техно­логии извлечения германия из продуктов переработки коксующихся и энергетических углей, а также аргиллитов и железных руд. В конечном счете в промышленности стали использовать способ получения германия из углей. Эти работы позволили обеспечить нужды страны в отечественном германии и явились осно­вой для получения чистого германия, Исследования процесса выращивания монокристаллов германия методом Чохральского начались в СССР с начала 50-х гг. и шли одновременно в нескольких местах – ФТИ им. Иоффе, ФИАН им. Лебедева, ИМЕТ им. Байкова, СФТИ и др. В 1950 г. лабораторные образцы германиевых триодов были разработаны в ФИАНе (Б.М. Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавилов и др.), в ЛФТИ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Наследов) и в ИРЭ АН СССР (С.Г. Калашников, Н. А. Пенин и др.). В 1956 г методом Чохральского в Гиредмете были выращены первые в СССР промышленные монокристаллы германия.

В 1957 году в НИИ 801 были выполнены поисковые НИР «Эра» и «Элегия». К началу 1958 года были разработаны первые отечественные «вплавные» фотодиоды из германия в конструкциях, способных выдерживать механические нагрузки, со­ответствующие артиллерийскому выстрелу. В 1958 году Постановлением Совета Министров СССР НИИ 801 поручается научно-исследовательская работа «Клевер» по созданию фотодиодного приемника из германия для наведения управляемых реактивных снарядов по инфракрасному лучу. Приемник располагался на летящем снаряде и должен был регистрировать сравнительно слабое управля­ющее излучение источника как ночью, так и в условиях сильной за­светки прямым солнечным светом, на расстояниях 2-3 километра. К началу 1959 года было изготовлено свыше 50 приборов, позво­ляющих обнаруживать слабое (0,1 лк) излучение при общей засветке интенсивным (70000 лк) сол­нечным излучением.

В итоге, в 1960-1970 годы в СССР было создано эффективное ракетное вооружение с инфракрасными самонаводящимися системами (авиационный комплекс К-13, зенитные ракетные комплексы «Стрела-1», «Стрела-2», «Стрела-2М», «Стрела-3», «Стрела-10», «Игла» и др.). Решающий вклад в решение этой проблемы внес коллектив НИИ 801, сумевший разработать и организовать в СССР промышленное производство новых фотоприемных устройств, полу­проводниковых материалов, систем охлаждения и др. Разработчикам пришлось столкнуться с проблемами обеспечения необходимой чистоты технологи­ческих сред, оснастки, помещений, реактивов и др. Начала осозна­ваться важность процессов подготовки поверхности, роль защитных и пассивирующих покрытий, влияние элементов конструкции на ста­бильность параметров приемников и др.

Эти работы стали важнейшим этапом в становлении отечествен­ной технологии фотоэлектроники.