Приймач світлового випромінювання

Реферат: Приймач світлового випромінювання містить підкладку, активний елемент, що здатний приймати світлове випромінювання, та прозоре для випромінювання герметизуюче покриття. Герметизуюче покриття виконане з матеріалу на основі багатокомпонентних халькогенідних стекол систем (Ge,Pb)-(Ga,As,Sb)-(S,Se). При цьому об'єм герметизуючого покриття перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, а форма герметизуючого покриття виконана у вигляді параболічної поверхні обертання. UA 98093 U (12) UA 98093 U UA 98093 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до напівпровідникової оптоелектроніки, безпосередньо до приймачів випромінювання, які приймають електромагнітне випромінювання в оптичному діапазоні спектра. Приймачі оптичного випромінювання широко застосовуються в телекомунікації, спектроскопії, системах спостереження, медичних терапевтичних приладах та багатофункціональних приладах напівпровідникової фотоніки. Для захисту елементів і компонентів оптоелектроніки від впливу зовнішніх факторів, таких як пилу, вологи, механічних впливів й інших, здійснюється герметизація активних елементів, що істотно підвищує їхню експлуатаційну надійність. Герметизацію елементів здійснюють або за допомогою ізоляційних матеріалів, або з використанням принципів вакуум-щільної герметизації. Найбільш перспективними і технологічними матеріалами для герметизації активних елементів ізоляційними матеріалами, які працюють в області спектра оптичного діапазону є полімерні компаунди і халькогенідні стекла. Необхідність використання таких матеріалів зумовлена тим, що для приладів напівпровідникової фотоніки покриття для герметизації повинні бути хімічно та радіаційно стійкими, прозорими в широкій області спектра оптичного діапазону із заданим показником заломлення та великим питомим опором. Крім цього вони повинні забезпечувати хорошу адгезію до матеріалу напівпровідникового приладу, узгоджуватися з його коефіцієнтом термічного розширення і бути технологічними у виготовленні. Відомий фотоелектричний приймач лазерного випромінювання [1], у якого на поверхні фотодіода сформовано шар окислу кремнію, оптична густина якого менша, ніж матеріалу фотодіода, а кремнієве вхідне вікно розташовано безпосередньо на поверхні цього шару у вигляді плоскопаралельної пластини. Даний фотодіод забезпечує збільшення верхнього краю густини променистої енергії контрольованого оптичного випромінювання. Недоліком використання такого приймача оптичного випромінювання є складність конструкції та процесу технологічного виготовлення, висока собівартість, відсутність механічного захисту, фокусуючої дії кремнієвої пластинки та можливості роботи в агресивному середовищі. Відомий акустотермометр [2] з фокусуючим п'єзоприймачем теплового акустичного випромінювання для зондування внутрішньої температури біологічних об'єктів, що додатково містить фокусуючу безабераційну плоско-ввігнуту еліптичну лінзу та узгоджувальні шари, крізь які здійснюється контакт зі шкірою пацієнта. При цьому основний внесок в сумарну інтенсивність дає випромінювання зі сфери лінзи у фокусі з радіусом, рівним кореляційному радіусу, яке, пройшовши крізь лінзу, нормально падає до поверхні п'єзоприймача у вигляді плоскої хвилі. В результаті точність вимірювання збільшується до граничної. Недоліком використання такого фокусуючого п'єзоприймача є складність конструкції та технологічного виготовлення, відсутність механічного захисту та можливості роботи в середовищі з підвищеною вологістю. Відомий напівпровідниковий фотопристрій [3], який вибраний як прототип, що містить світловипромінюючий елемент або фотоприймач, які захищені герметиком. Захист фотопристрою, при роботі у середовищі з підвищеною вологістю, здійснюється за допомогою нанесення на герметик з'єднань кремнію, які містять угрупування кілець сілсесквіосана за формулою (AR1R2SiOSiO1,5)n(BR3R4SiOSiO1,5)p(HOSiO1,5)m-n-p, (у формулі: А є гідролізною групою; В є заміщений або незаміщений алкіл або водень; кожен із R1, R2, R3 і R4 - незалежно метил або феніл; m є число, вибране з чисел 6, 8, 10 і 12; n є цілим числом від 2 до m; р є цілим числом від 0 до m-n), або одержаних шляхом часткового гідролізу вказаного з'єднання. Підвищений рівень освітленості фотоприймача або збільшення зовнішнього квантового виходу світловипромінюючого елемента одержується завдяки фокусуючій дії напівсферичної форми й матеріалу герметика, при одночасному забезпеченні механічного захисту. Недоліком такого напівпровідникового фотопристрою є наявність кількох різних за складністю технологічних циклів одержання герметизуючого покриття, обмежена можливість роботи в агресивних середовищах та широкій області спектра оптичного випромінювання, внаслідок сильного поглинання матеріалом герметика випромінювання в середній інфрачервоній області спектру. В основу корисної моделі поставлена задача підвищити ефективність роботи приймача світлового випромінювання, розширити область його використання та спростити конструкцію. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що приймач світлового випромінювання, який містить підкладку, активний елемент, що здатний приймати світлове випромінювання, та прозоре для випромінювання герметизуюче покриття, причому останнє виготовлене з матеріалу на основі багатокомпонентних халькогенідних стекол систем (Ge,Pb)-(Ga,As,Sb)-(S,Se), причому 1 UA 98093 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 об'єм герметизуючого покриття перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, а форма герметизуючого покриття виконана у вигляді параболічної поверхні обертання. Технічний результат, якого можна досягти при використанні корисної моделі, виражений в тому, що забезпечується підвищення ефективності роботи фотоприймача, розширюється область його використання та спрощується конструкція. Ефективність роботи приймача світлового випромінювання забезпечується за рахунок того, що герметизуюче покриття знаходиться в безпосередньому контакті з активним елементом і виконане з матеріалу на основі багатокомпонентних халькогенідних стекол (ХС) систем (Ge,Pb)(Ga,As,Sb)-(S,Se), взятих у відповідних пропорціях із наперед заданим показником заломлення, причому об'єм герметизуючого покриття перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази. Вибрані нами склади ХС мають змішану структуру близького порядку, що визначає їх лабільність і реверсивність до перебудови структури та зміни оптичних параметрів. Зміна їх хімічного складу дозволяє суттєво зміщувати область їх прозорості від близької ультрафіолетової до середньої ІЧ-області при малому коефіцієнті поглинання та вирішувати проблему узгодженості коефіцієнтів термічного розширення активного елемента, підкладки й герметизуючого покриття. Всі вони стійкі до агресивних середовищ, нерозчинні у воді та розбавлених кислотах. Показник заломлення змінюється в межах 2,0-2,9, а температура розм'якшення лежить в інтервалі 360-700 К. Сила зчеплення для всіх вибраних стекол складає 2 не менше 8 кг/см . Багаторазовий цикл "плавлення - охолодження" не приводить до появи смуг поглинання в області прозорості даних стекол. Крім цього герметизуюче покриття на основі вибраних ХС одночасно виконує механічний захист і ефект просвітлення для активного елемента фотоприймача. Завдяки формі герметизуючого покриття, виконаного у вигляді параболічної поверхні обертання, відбувається ефективна фокусуюча дія потоку світлового випромінювання на активний елемент приймача вздовж його оптичної осі, що забезпечує підвищення ефективності його роботи. Промислове використання даної корисної моделі не вимагає великих затрат внаслідок того, що нанесення герметизуючого покриття відбувається в одному технологічному циклі, а ХС систем (Ge,Pb)-(Ga,As,Sb)-(S,Se) технологічні у виготовленні. Технічні рішення, які використовуються у даному приймачі, спрощують його конструкцію. Перераховані вище нові ознаки дозволяють суттєво підвищити ефективність роботи приймача світлового випромінювання, розширити область його використання та спростити конструкцію. На кресленні схематично наведено конструкцію приймача світлового випромінювання. На підкладці 1 розміщені електричні 2 провідники, які з'єднані з омічними контактами 4 активного 3 елемента, що приймає світлове випромінювання та герметизуюче 5 покриття. Приймач світлового випромінювання працює наступним чином. Потік світлового випромінювання проходить крізь герметизуюче 5 покриття, яке оптично прозоре для випромінювання та поглинається активним 3 елементом. Внаслідок поглинання потоку випромінювання активним 3 елементом генеруються електронно-діркові пари, які розподіляються під дією електричного поля прикладеного до його контактів 4. Завдяки цьому в електричному колі формується електричний струм. Збільшення потоку світлового випромінювання приводить до збільшення поглинання випромінювання в активному 3 елементі, внаслідок чого підвищується величина електричного струму в колі, що відповідно підвищує чутливість фотоприймача та ефективність його роботи. Халькогенідні стекла систем (Ge,Pb)-(Ga,As,Sb)-(S,Se), які використовуються для одержання герметизуючого 5 покриття, дозволяють суттєво зміщувати спектральну область своєї прозорості при малому коефіцієнті поглинання за рахунок зміни хімічного складу та вирішувати проблему узгодження показника заломлення покриття з показником заломлення матеріалу для різних типів активних елементів фотоприймачів, що призводить до ефекту просвітлення. Форма герметизуючого 5 покриття, виконаного у вигляді параболічної поверхні обертання, причому об'єм герметизуючого покриття перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, дозволяє використовувати потік випромінювання, який падає на границю поділу халькогенідне скло - повітря з мінімальними втратами вздовж оптичної осі активного 3 елемента при ефективному зменшенні впливу бокового випромінювання, що особливо важливо для конструювання цілого класу приладів телекомунікації, систем спостереження та газового аналізу. Вищеперераховані фактори дозволили підвищити ефективність роботи різних типів активних 3 елементів, що здатні приймати світлове випромінювання, щонайменше в 2,0-2,5 2 UA 98093 U 5 10 15 20 рази по відношенню до аналогічних фотоприймачів, у яких використовується герметизуюче покриття на основі полімерного компаунду або інших відомих матеріалів. Як активний 3 елемент використовувались напівпровідникові фоточутливі пластини без герметизації на основі PbS(Se) та гетероструктури з утвореними р-n-переходами InAsSb/lnAsSbP на основі InAs на область спектра 1,5-5,0 мкм. Нанесення оптично прозорого покриття на основі ХС систем (Ge,Pb)-(Ga,As,Sb)-(S,Se) для герметизації активного 3 елемента проводилось у відповідності до технології, описаній в [4]. Одержаний в такий спосіб приймач світлового випромінювання був механічно стійким і зберігав свої параметри після дії на нього вібраційних навантажень в діапазоні частот від 10 до 500 Гц на вібростенді ВЭДС-400А. Запропонований приймач світлового випромінювання має підвищену ефективність роботи, розширену область використання та просту конструкцію. Джерела інформації: 1. Патент України № 39347. Фотоелектричний приймач лазерного випромінювання, МПК H01L 31/06. Опуб. 15.06.2001. 2. Патент України № 73497. Акустотермометр з фокусуючим п'єзоприймачем теплового акустичного випромінювання для зондування внутрішньої температури біологічних об'єктів, МПК G01К 11/22, опубл. 25.09.2012. 3. Патент WO2009025017. Semiconductor photodevice and transparent optical member, МПК C08L 83/06; H01L 33/56, опубл. 26.02.2009. 4. Патент України № 89690. Спосіб нанесення оптичного покриття на основі халькогенідних склоподібних сплавів, МПК G02В 1/10, G03С 1/015, опубл. 25.02.2010. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Приймач світлового випромінювання, який містить підкладку, активний елемент, що здатний приймати світлове випромінювання, та прозоре для випромінювання герметизуюче покриття, який відрізняється тим, що герметизуюче покриття виконане з матеріалу на основі багатокомпонентних халькогенідних стекол систем (Ge,Pb)-(Ga,As,Sb)-(S,Se), причому об'єм герметизуючого покриття перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, а форма герметизуючого покриття виконана у вигляді параболічної поверхні обертання. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3