Спосіб просвітлення фотоприймача іч-випромінювання на основі cdhgte

Реферат: Спосіб просвітлення фотоприймача ІЧ-випромінювання на основі CdHgTe (KPT) включає попередню обробку поверхні пластини монокристалу КРТ в плазмі аргону протягом 5-5,5 хв. з тиском у робочій камері 25 Па та наступне осадження першого шару алмазоподібних вуглецевих плівок (АВП) a-C:H:N як просвітлюючого покриття з суміші плазми газів аргону, метану, водню та азоту в співвідношенні Ar:CH4:H2:N2=1:3:5:9 при потужності високочастотного розряду магнетрону 250 Вт з тиском в робочій камері 100 Па. Попередню обробку поверхні здійснюють при потужності високочастотного розряду магнетрону 250 Вт, перший шар просвітлюючого покриття наносять товщиною 0,32-0,35 мкм протягом 7-7,5 хв. і додатково осаджують другий шар АВП як просвітлюючого покриття товщиною 0,25-0,27 мкм з суміші тих самих газів, що і перший шар, протягом 45-47 хв. при потужності високочастотного розряду магнетрону 150 Вт з тиском в робочій камері 100 Па. UA 94605 U (54) СПОСІБ ПРОСВІТЛЕННЯ ФОТОПРИЙМАЧА ІЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ОСНОВІ CdHgTe UA 94605 U UA 94605 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напівпровідникової електроніки і може бути використана для просвітлення напівпровідникових фотоприймачів ІЧ-випромінювання на основі монокристалів CdHgTe. Для напівпровідникових фотодетекторів ІЧ-діапазону оптимальним є покриття, що поряд з функцією просвітлення захищало б поверхню, підвищуючи, таким чином, стабільність, зменшуючи рекомбінаційні втрати та струми витоку. Збільшення спектрального діапазону та зменшення залишкового відбиття, ускладнюється тим, що ефект просвітлення суттєво залежить від показника заломлення матеріалу (n), що просвітлюється, і зазвичай, він знаходиться в межах від 1,35 до 2,20 [1]. Зокрема, мова йде про охолоджувані фотонні приймачі спектральних діапазонів (3-5) мкм та (8-12) мкм на основі монокристалічного CdHgTe, в яких поглинання випромінювання, що детектується, відбувається з боку підкладинки. Традиційними як захисних та просвітлюючих покриттів для оптоелектронних пристроїв ІЧдіапазону є фториди (BaF2, YF3, YbF3), оксиди (SiO, SiO2, HfO2), селеніди (ZnSe) та сульфіди (ZnS) [2]. В патенті США US 7,145,721 B2 (2006 p.) (аналог) [3] для зменшення коефіцієнту відбиття ІЧ-фотоприймача на основі CdHgTe/CdZnTe авторами запропоновано на інтерфейсі структури створити конічний рельєф з характерним розміром, меншим за довжину падаючої електромагнітної хвилі. Таке технічне рішення (нанесення рельєфного покриття) дає можливість підвищити значення коефіцієнта пропускання ІЧ-фотоприймача на основі HgCdTe/CdZnTe до величини близько 80 %, проте необхідність використовування процесу фотолітографії для формування рельєфної структури пов'язана з виготовленням дорогих прецизійних фотошаблонів, які при використанні даної технології у масовому виробництві швидко втрачатимуть свої властивості, що додатково здорожує цей метод. Використання алмазоподібних вуглецевих плівок a-C:H:N (АВП) для просвітлення фотоприймачів обумовлено їх унікальними властивостями, а саме, механічними та трибологічними характеристиками та можливістю змінювати оптичні і механічні властивості в залежності від умов осадження у широких межах, хімічною інертністю поверхні, навіть при товщина менших за 10 нм [4, 5]. Найбільш близьким до способу, що заявляється, (прототип) є стаття "Ионно-плазменная обработка монокристаллов Cd1-xZnxTe (x ~ 0,04) и оптическое просветление алмазоподобными углеродными пленками" [6]. Спочатку поверхня монокристалу Cd 1-xZnxTe (x ~ 0,04) оброблялася протягом 5 хв. плазмою аргону або водню, або азоту при потужності розряду магнетрону 175 Вт та залишковим тиском в робочій камері 25 Па. Відведення тепла від оброблюваної пластини за рахунок водяного охолодження підкладинкотримача забезпечувало кімнатну температуру оброблюваного зразка. Наступною стадією в єдиному технологічному циклі виготовлення просвітлюючого покриття було осадження власне АВП протягом 40 хв. при потужності розряду високочастотного (ВЧ) магнетрону 250 Вт та робочому тиску в камері 100 Па. Товщина отриманого просвітлюючого покриття складала 1,1 мкм. Даний спосіб дозволяє здійснити добре просвітлення ІЧ-датчика, однак довготривале використання підвищених потужностей розряду високочастотного магнетрону негативно впливають на його відносно короткий робочий ресурс. До того ж висока товщина осадженого просвітлюючого покриття негативно позначається на трибологічних характеристиках (на адгезійній та когезійній здатностях) отриманих покриттів, що зменшує загальний термін служби виробу. Також створення високої товщини просвітлюючого покриття потребує значних витрат компонентів газової суміші, з якої власне і вирощується це покриття. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб просвітлення фотоприймача ІЧ-випромінювання на основі CdHgTe, який дає змогу збільшити термін служби фотоприймача при збереженні його високої чутливості і зменшенні витрат на технологічний процес. Поставлена задача вирішується способом просвітлення фотоприймача ІЧ-випромінювання на основі CdHgTe (KPT), який включає попередню обробку поверхні пластини монокристалу КРТ в плазмі аргону протягом 5-5,5 хв. з тиском у робочій камері 25 Па та наступне осадження першого шару алмазоподібних вуглецевих плівок (АВП) a-C:H:N як просвітлюючого покриття з суміші плазми газів аргону, метану, водню та азоту в співвідношенні Ar:CH 4:H2:N2=1:3:5:9 при потужності високочастотного розряду магнетрону 250 Вт з тиском в робочій камері 100 Па, і який відрізняється тим, що попередню обробку поверхні здійснюють при потужності високочастотного розряду магнетрону 250 Вт, перший шар просвітлюючого покриття наносять товщиною 0,32-0,35 мкм протягом 7-7,5 хв. і додатково осаджують другий шар АВП як просвітлюючого покриття товщиною 0,25-0,27 мкм з суміші тих самих газів, що і перший шар, протягом 45-47 хв. при потужності високочастотного розряду магнетрону 150 Вт з тиском в робочій камері 100 Па. 1 UA 94605 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В способі просвітлення, що заявляється, перед осадженням, як і в прототипі, проводиться плазмохімічна обробка напівпровідникової підкладинки в атмосфері аргону протягом 5-5,5 хв. з тиском у робочій камері 25 Па. Як показали дослідження, така обробка сприяє видаленню з поверхні зразка різного роду забруднень, адсорбованих молекул води, залишків органіки тощо. Але короткочасне збільшення потужності ВЧ-розряду магнетрону до 250 Вт, у порівнянні з 175 Вт зазначених в прототипі, додатково призводить до формування мікрорельєфу на поверхні оброблюваного монокристалу КРТ, що позитивно впливає на процес змішування хімічних компонентів підкладинки та осаджуваного матеріалу. Порушений шар на поверхні КРТ, що виникає внаслідок цієї обробки, позитивно впливає на ефективність просвітлення оптичної системи а-C:H:N/CdHgTe, а також значно поліпшує трибологічні характеристики просвітлюючого покриття, що осаджується, і тим самим збільшує термін служби фотоприймача ІЧвипромінювання на основі CdHgTe. Як і в прототипі, захисні та просвітлюючі покриття наносять в єдиному технологічному процесі плазмово-стимульованого осадження (PE-CVD) діелектричного покриття на напівпровідникову підкладинку монокристалу КРТ, але на відміну від прототипу в способі просвітлення, що заявляється, в одному технологічному процесі з плазмовою обробкою ох поверхні фотоприймача ІЧ-випромінювання просвітлююче покриття наноситься в 2 режимах з різною потужністю ВЧ-магнетрона та різним часом осадження, внаслідок чого на підкладинці ох CdHgTe утворюється складна оптична система з 2 просвітлюючих шарів АВП. При цьому для досягнення ефекту просвітлення виконується співвідношення між товщинами та коефіцієнтами заломлення цих шарів: . n1 d1 = n2 d2, де n1 та n2 - коефіцієнти заломлення першого та другого шарів, a d 1 та d2 - значення їх товщин відповідно. Зменшення часу осадження в першому режимі до 7-7,5 хв., у порівнянні з 40 хв. режимом у прототипі, коли використовується висока потужність ВЧ-магнетрона (250 Вт), та зменшення потужності ВЧ-магнетрона до 150 Вт під час осадження просвітлюючого покриття протягом 4547 хв. при аналогічному з прототипом тиском в робочій камері (100 Па) в другому режимі дозволяє отримати у 2 рази тонше (0,57 мкм проти 1,1 мкм в прототипі) просвітлююче покриття при збереженні високих просвітлюючих та захисних властивостей. При цьому менший час роботи ВЧ-магнетрона при високій потужності позитивно позначається на його ресурсі, що покращує експлуатаційні властивості ВЧ-обладнання. Також спостерігається економія високочистих і відповідно дорогих компонентів газової суміші, з якої осаджується просвітлююче покриття. Схема просвітленого фотоприймача ІЧ-випромінювання показана на Фіг, де 1 - підкладинка з монокристалічного CdHgTe, 2 - порушений шар підкладинки, 3 - перший шар просвітлюючого покриття (n1), який включає в себе порушену внаслідок обробки в плазмі аргону поверхню монокристалічної підкладинки, 4 - другий шар просвітлюючого покриття (n2). Ефективність просвітлення створеної системи a-C:H:N/CdHgTe [7] визначалася методом ІЧ-1 спектроскопії (Фур'є-спектрометр Infralum FT-801 з роздільною здатністю 2 см ) по спектрам оптичного пропускання. Оптичні параметри (коефіцієнт екстинкції k, показник заломлення n), а також товщина порушеного шару d монокристалу КРТ в вихідному стані та після обробки плазмою контролювалися методом еліпсометрії на лазерному фотоелектричному компенсаційному нуль-еліпсометрі ЛЭФ ЗМ-1 ( = 632,8 нм). Таким чином, до переваг створюваного нами покриття можна віднести підвищення експлуатаційної ефективності високочастотного обладнання, що виникає за рахунок зменшення витрат на час експлуатації обладнання. Зменшення товщини осаджуваного просвітлюючого покриття в 2 рази дозволяє зекономити високочисті і тому дорогі компоненти газової суміші, що використовується для створення АВП. Спосіб також покращує трибологічні характеристики осадженого просвітлюючого покриття, що збільшує термін служби фотоприймача. Необхідно також відзначити, що оптичне пропускання створюваного покриття в ІЧ-діапазоні обмежується лише кількістю вузьких смуг областей поглинання на власних коливаннях зв'язків вуглецю [7]. За результатами порівняння можна зробити висновок, що техніко-економічні показники створюваного нами покриття на базі АПВ кращі за сукупністю основних параметрів, ніж відповідні показники традиційних захисних та просвітлюючих покриттів для приладів ІЧдіапазону спектру, які наведено в якості прототипу та аналогу. Приклад конкретного використання способу просвітлення фотоприймача ІЧ-випромінювання на основі CdHgTe Зразки CdHgTe розміром 10 мм х 10 мм і товщиною 10 мкм були оброблені в плазмі аргону, ох після чого на них в 2 різних режимах осаджувалося а-С:Н:N-покриття. Обробка зразків 2 UA 94605 U 5 10 15 20 25 30 35 40 плазмою аргону виконувалася безпосередньо перед осадженням АВП в єдиному технологічному процесі. Час попередньої обробки складав 5 хвилин при потужності високочастотного (13,56 МГц) розряду магнетрона W=250 Вт з тиском у робочій камері 25 Па. Відведення тепла від оброблюваних зразків здійснювалося за рахунок водяного охолодження підкладинкотримача для підтримання кімнатної температури на зразках. Після цього осадження першого шару a-C:H:N покриття продовжувалося протягом 7,5 хвилин при потужності високочастотного (13,56 МГц) розряду магнетрона W=250 Вт з тиском в робочій камері 100 Па. Для осадження АВП використовувалася суміш аргону, метану, водню та азоту Ar:CH4:H2:N2=1:3:5:9. Після цього процес осадження другого шару a=С:Н:N-покриття продовжувався протягом 46 хв при потужності високочастотного (13,56 МГц) розряду магнетрона W=150 Вт з тиском в робочій камері 100 Па. Вміст азоту в газовій суміші складав близько 50 %, що дозволило зменшити рівень внутрішніх механічних напружень в отримуваних плівках [9]. В результаті осадження діелектричного покриття a-C:H:N на напівпровідникову підкладку CdHgTe утворюється просвітлююча багатошарова оптична система, де найближчий до підкладки шар є наслідком плазмової обробки аргоном вихідної поверхні в єдиному вакуумному технологічному процесі. Товщина цього шару (d1) становить 0,25 мкм, а показник заломлення (nі) дорівнює 1,9. Другий шар має дещо більшу товщину (d2=0,32 мкм) і також відрізняється від попереднього шару меншим значенням показника заломлення (n2), що дорівнює 1,5. Внаслідок осадження в 2х різних режимах утворюється багатошарова просвітлююча система з двома шарами та оптичним пропусканням ~ 80 % в спектральному діапазоні (3-6) мкм. Ця область максимального просвітлення співпадає з вікном прозорості атмосфери, що дозволяє збільшити ефективність освітлювальних зі зворотного боку фотодіодів на основі КРТ для спектральної області (3-5) мкм та (8-12) мкм на величину ~ 50 %. При цьому треба враховувати, що пропускання оптичної системи суттєво залежить від С-Н, С-С та С=О зв'язків покриття a-C:H:N, які відповідають валентним та деформаційним коливанням в області близько 3 мкм та (5,7-7) мкм відповідно. Запропонований спосіб забезпечує високу фоточутливість фотоприймача ІЧвипромінювання на основі CdHgTe при меншій товщині просвітлюючого покриття, довшим терміном служби фотоприймача при нижчих експлуатаційних витратах, тому є більш дешевим і технологічним, аніж прототип. Джерела інформації: 1. Klyui N.I., Litovchenko V.G., Rozhin A.G., Dikusha V.N., Kittler M., Seifert W. // Solar energy materials & Solar Cells. 2002. V. 72. P. 597-603. 2. Krishna B. Misra. Handbook of Performability Engineering. London: Springer-Verlag, 2008. Ch. 59. 3. Banish M. Anti-reflective structures / Michele Banish, Rodney L. Clark // United States Patent US 7,145,721 B2.-2006. 4. Hugh O. Pierson. Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes. Properties, Processing and Applications. New Jersey: Noyes Publications, USA. 1993. 399 P. 5. Donnet С. Tribology of Diamond-Like Carbon Films Fundamentals and Applications. New York: Springer Science Business Media, LLC, 2008. 664 P. 6. Клюй Н.И., Лозинский В.Б. и др. // ЖТФ. 2012. Т. 82. №8. С. 83-88. 7. Сизов Ф.Ф., Клюй Н.И. и др. // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 9. С. 32-34. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб просвітлення фотоприймача ІЧ-випромінювання на основі CdHgTe (KPT), який включає попередню обробку поверхні пластини монокристалу КРТ в плазмі аргону протягом 5-5,5 хв. з тиском у робочій камері 25 Па та наступне осадження першого шару алмазоподібних вуглецевих плівок (АВП) a-C:H:N як просвітлюючого покриття з суміші плазми газів аргону, метану, водню та азоту в співвідношенні Ar:CH4:H2:N2=1:3:5:9 при потужності високочастотного розряду магнетрону 250 Вт з тиском в робочій камері 100 Па, який відрізняється тим, що попередню обробку поверхні здійснюють при потужності високочастотного розряду магнетрону 250 Вт, перший шар просвітлюючого покриття наносять товщиною 0,32-0,35 мкм протягом 7-7,5 хв. і додатково осаджують другий шар АВП як просвітлюючого покриття товщиною 0,25-0,27 мкм з суміші тих самих газів, що і перший шар, протягом 45-47 хв. при потужності високочастотного розряду магнетрону 150 Вт з тиском в робочій камері 100 Па. 3 UA 94605 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4