Фотоприймач

Реферат: Винахід 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. Фотоприймач містить підкладку, активний елемент, що здатний приймати світлове випромінювання та прозоре для випромінювання герметизуюче покриття. Герметизуюче покриття містить щонайменше два шари, виконані з матеріалу на основі складних напівпровідникових халькогенідних стекол систем (Ge, Pb)-As-(S, Se), причому об'єм шару або шарів перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, а форма зовнішнього шару герметизуючого покриття виконана у вигляді параболічної поверхні обертання. Технічним результатом винаходу є підвищення ефективності роботи, розширення області використання та спрощення конструкції. UA 112695 C2 (12) UA 112695 C2 UA 112695 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до напівпровідникової оптоелектроніки, безпосередньо до приймачів випромінювання, які приймають електромагнітне випромінювання в оптичному діапазоні спектра. Приймачі оптичного випромінювання широко використовуються 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. Не дивлячись на те, що вакуум-щільна герметизація приладів напівпровідникової фотоніки, яка реалізується шляхом вміщення активних елементів у герметичний корпус, надійно захищає їх від впливу зовнішнього середовища, такий спосіб захисту є високозатратним та технологічно складним. Найбільш перспективними і технологічними ізоляційними матеріалами для герметизації активних елементів, які працюють в області спектра оптичного діапазону є полімерні компаунди і склоподібні халькогенідні стекла (ХС). Такі матеріали повинні забезпечувати хімічну та радіаційну стійкість, бути прозорими в широкій області спектра оптичного діапазону із заданим показником заломлення та мати великий питомий опір. Крім того, вони повинні забезпечувати хорошу адгезію до матеріалу активного елемента та корпусу, узгоджуватися з їх коефіцієнтами термічного розширення і бути технологічними у виготовленні. Відомий фотоелектричний приймач лазерного випромінювання [1] у якому 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 у сумарну інтенсивність дає випромінювання зі сфери лінзи у фокусі з радіусом, рівним кореляційному радіусу, яке пройшовши крізь лінзу падає нормально 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 взятий за 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 (AR1R2S1OS1O1,5)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 R 1, 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; і 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 спектра. В основу винаходу поставлена задача підвищити ефективність роботи фотоприймача, розширити область його використання та спростити конструкцію. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що фотоприймач, який містить підкладку, активний елемент, що здатний приймати інфрачервоне випромінювання та прозоре для випромінювання герметизуюче покриття, герметизуюче покриття містить щонайменше два 1 UA 112695 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шари, виконані з матеріалу на основі багатокомпонентних халькогенідних стекол систем (Ge, Pb)-As-(S, Se), причому об'єм шарів перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, а форма зовнішнього шару герметизуючого покриття виконана у вигляді параболічної поверхні обертання. Технічний результат, якого можна досягти при використанні винаходу виражений в тому, що забезпечується підвищення ефективності роботи фотоприймача, розширюється область його використання та спрощується конструкція. Ефективність роботи фотоприймача забезпечується за рахунок того, що герметизуюче покриття знаходиться в безпосередньому контакті з активним елементом і виконане з матеріалу на основі багатокомпонентних ХС систем (Ge, Pb)-As-(S, Se), взятих у відповідних пропорціях із наперед заданим показником заломлення. 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 в діапазоні 0,4-11,0 мкм при малому коефіцієнті поглинання та вирішувати проблему узгодженості коефіцієнтів термічного розширення активного елемента, підкладки й герметизуючого покриття, Всі вони стійкі до роботи в агресивних середовищах. Показник заломлення змінюється в межах 2,0-2,9, а температура розм'якшення лежить в інтервалі 360-700 К. Сила зчеплення для всіх вибраних 2 стекол складає не менше 8 кг/см . Багаторазовий цикл "плавлення-охолодження" не приводить до появи смуг поглинання в області прозорості даних стекол. Крім того, герметизуюче покриття на основі вибраних ХС одночасно виконує механічний захист і ефект просвітлення для активного елемента фотоприймача. Завдяки формі зовнішнього шару герметизуючого покриття, виконаного у вигляді параболічної поверхні обертання, й сукупному об'ємі шарів, які перевищують об'єм активного елемента щонайменше у два рази, відбувається ефективна фокусуюча дія потоку світлового випромінювання на активний елемент фотоприймача вздовж його оптичної осі, що забезпечує підвищення ефективності його роботи. Промислове використання даного винаходу не вимагає великих затрат внаслідок того, що нанесення герметизуючого покриття відбувається в одному технологічному циклі, а ХС систем (Ge, Pb)-As-(S, Se) технологічні у виготовлені. Технічні рішення, які використовуються у даному фотоприймачі спрощують його конструкцію. Перераховані вище нові ознаки дозволяють суттєво підвищити ефективність роботи фотоприймача, розширити область його використання та спростити конструкцію. На фіг. 1 схематично наведено конструкцію фотоприймача. На підкладці 1 розміщені електричні 2 провідники, які з'єднані з контактами 4 активного 3 елемента, що приймає світлове випромінювання та герметизуюче 5 покриття. На фіг. 2 схематично наведено конструкцію фотоприймача з двома шарами герметизуючого покриття, які оптично прозорі для світлового випромінювання. Підкладка 1 містить відбиваюче 6 заглиблення у формі зрізаного конуса або еліптичного параболоїда, на якому розмішений активний 3 елемент та герметизуюче 5 покриття утворене з шарів 7 і 8. Електричні 2 провідники підкладки 1 з'єднані з контактами 4 активного 3 елемента. На фіг. 3 схематично наведено конструкцію фотоприймача на основі поширеного в напівпровідниковій промисловості корпусу ТО-18. Як підкладка 1 вибраний стандартний корпус ТО-18, на якому розміщені активний 3 елемент та герметизуюче 5 покриття. Електричні 2 провідники підкладки 1 з'єднані з контактами 4 активного 3 елемента. Фотоприймач працює наступним чином. Потік інфрачервоного випромінювання проходить крізь оптично прозоре герметизуюче 5 покриття та поглинається активним 3 елементом. Внаслідок поглинання потоку випромінювання активним 3 елементом генеруються нерівноважні електронно-діркові пари. В залежності від типу активного 3 елемента на його контактах 4 виникає фото е.р.с, або під дією електричного поля прикладеного до його контактів 4 виникає фотострум. Завдяки цьому в електричному колі формується електричний струм. Збільшення потоку світлового випромінювання приводить до збільшення поглинання випромінювання в активному 3 елементі, внаслідок чого зростає величина електричного струму в колі, що відповідно підвищує чутливість фотоприймача та ефективність його роботи. Халькогенідні стекла систем (Ge, Pb)-As-(S, Se), які використовуються для одержання герметизуючого 5 покриття, дозволяють суттєво зміщувати 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 2 UA 112695 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 типів активних 3 елементів фотоприймачів, що призводить до ефекту просвітлення. Форма герметизуючого 5 покриття, виконаного у вигляді параболічної поверхні обертання, причому сукупний об'єм шарів перевищує об'єм активного 3 елемента щонайменше у два рази, дозволяє використовувати потік випромінювання, який падає на границю поділу халькогенідне склоповітря 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 разу відносно до аналогічних фотоприймачів у яких використовується герметизуюче покриття на основі полімерного компаунду та в 3,0-4,0 рази відносно до фотоприймачів, в яких герметизація здійснюється із використанням металевої кришки та прозорого для випромінювання вікна. Як активний 3 елемент використовувались напівпровідникові фоточутливі пластини без герметизації на основі PbS(Se) та гетероструктури з утвореними p-n-переходами GalnAsSb/AIGaAsSb на основі GaSb (область спектра 1,6-2,4 мкм) та InAsSb/lnAsSbP на основі InAs (область спектра 2,8-5,0 мкм). Нанесення оптично прозорого покриття на основі ХС систем (Ge, Pb)-As-(S, Se) для герметизації активного 3 елемента проводилось у відповідності до відомої технології, описаній в [4]. Одержаний фотоприймач є механічно стійким і зберігає свої параметри після дії на нього вібраційних навантажень в діапазоні частот від 10 до 500 Гц на вібростенді ВЭДС-400А. За п. 2 формули винаходу, для розширення області використання, активний 3 елемент утворений з напівпровідникового матеріалу, наприклад PbS(Se), який використовується як фотоопір. За п. 3 формули винаходу, для розширення області використання, активний 3 елемент утворений з напівпровідникового матеріалу, який містить р-n- перехід, наприклад гетероструктури GalnAsSb/AIGaAsSb на основі GaSb або InAsSb/lnAsSbP на основі InAs. За п. 4 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, електричні 4 контакти активного 3 елемента знаходяться в безпосередньому контакті з електричними 2 провідниками підкладки. В даному випадку активний 3 елемент виконаний за flip-chip технологією. За п. 5 формули винаходу, для розширення області використання, активний 3 елемент чутливий до світлового випромінювання в дальній інфрачервоній області спектра, а герметизуюче 5 покриття утворене з матеріалу ХС з підвищеним вмістом Se. За п. 6 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, герметизуюче 5 покриття утворене за допомогою шарів 7 і 8 (фіг. 2), причому кожен наступний шар герметизуючого 5 покриття, починаючи від активного елемента, виконаний із матеріалу, який має меншу температуру розм'якшення, а утворення шарів 7 і 8 відбувається в одному технологічному циклі. За п. 7 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, герметизуюче 5 покриття утворене за допомогою шарів 7 і 8, причому кожен наступний шар герметизуючого 5 покриття, починаючи від активного елемента, виконаний із матеріалу, показник заломлення якого менший за показник заломлення попереднього матеріалу. У цьому випадку герметизуюче 5 покриття виконує також роль просвітлюючого покриття для активного 3 елемента. За п. 8 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, герметизуюче 5 покриття містить щонайменше два шари 7 і 8, виготовлені з різних за хімічним складом ХС. За п. 9 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, враховуючи конфігурацію активного 3 елемента, герметизуюче 5 покриття містить щонайменше один шар 7 герметизуючого 5 покриття, який розміщений тільки на активному 3 елементі. Крім того, зменшення кількості матеріалу герметизуючого 5 покриття приводить до зменшення собівартості фотоприймача без погіршення його ефективності. За п. 10 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, враховуючи конфігурацію активного 3 елемента, герметизуюче 5 покриття містить шари 7 і 8, які мають різну форму (фіг. 2). За п. 11 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, щонайменше один шар герметизуючого 5 покриття виконаний у вигляді плівки. За п. 12 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи та розширення області використання, герметизуюче 5 покриття утворене із таких шарів 7 і 8 різного хімічного складу, що їх області пропускання світлового випромінювання відрізняються. Така властивість запропонованих ХС дозволяє використати їх також як оптичний фільтр світлового випромінювання. 3 UA 112695 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 За п. 13 формули винаходу, для розширення області використання, герметизуюче 5 покриття містить щонайменше один шар, виконаний із вказаного матеріалу й легованого щонайменше одним рідкісноземельним елементом. Завдяки можливості зміни в широких межах параметрів ХС при зміні хімічного складу та введенню в них високих концентрацій домішок, у тому числі і рідкісноземельних елементів, вони характеризуються високими перерізами поглинання і випромінювання рідкісноземельних іонів. В цьому випадку, герметизуюче 5 покриття, що одержане з використанням таких ХС і знаходиться в безпосередньому контакті з активним 3 елементом, використовується як середовище для перевипромінювання ультрафіолетового світла в видиме або інфрачервоне світло, яке з великою ефективністю перетворюється в електричний струм або напругу за допомогою напівпровідникової структури з електронно-дірковими переходами. За п. 14 формули винаходу, для розширення області використання та спрощення конструкції, герметизуюче 5 покриття додатково містить щонайменше один шар, виконаний на основі компаунда або люмінофора. Використання компаунда, наприклад у зовнішньому шарі герметизуючого 5 покриття, дозволяє спростити технологічний цикл виготовлення фотоприймача та зменшити його собівартість. За п. 15 формули винаходу, для розширення області використання фотоприймача при роботі в певному агресивному середовищі щонайменше один шар герметизуючого 5 покриття виконаний у вигляді плівки з іншого матеріалу. За п. 16 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, підкладка містить відбиваюче заглиблення у формі зрізаного епілептичного параболоїда, на плоскому дні якого розміщений активний 3 елемент. Наявність відбиваючого заглиблення приводить до збільшення поглинання випромінювання в активному 3 елементі, внаслідок чого підвищується величина електричного струму в колі, що відповідно підвищує чутливість фотоприймача. За п. 17 формули винаходу, для спрощення конструкції, підкладка додатково містить відбиваюче покриття, яке одночасно здатне виконувати роль електричного контакту для активного 3 елемента (фіг. 2). За п. 18 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи та спрощення конструкції, підкладка виготовлена з матеріалу, який проводить електричний струм (фіг. 3). Використання як підкладки стандартного корпусу ТО-18 дозволяє спростити технологічний цикл виготовлення фотоприймача, покращити його температурний режим роботи, та зменшити його собівартість. За п. 19 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи, підкладка розміщена на додатково встановленому напівпровідниковому мікрохолодильнику. Пониження робочої температури активного 3 елемента приводить до підвищення його чутливості та розширення спектрального діапазону роботи фотоприймача. За п. 20 формули винаходу, для підвищення ефективності роботи та розширення області використання, підкладка розміщена на додатково встановленому резервуарі, охолодженому до кріогенних температур. Запропонований фотоприймач 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 G01K 11/22. Опуб. 25.09.2012. [3] Патент WO2009025017. Semiconductor photodevice and transparent optical member, МПК C08L 83/06; H01L 33/56. Опуб. 26.02.2009. [4] Патент України № 89690. Спосіб нанесення оптичного покриття на основі халькогенідних склоподібних сплавів, МПК G02 В 1/10, G03 С 1/015. Опуб. 25.02.2010. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 1. Фотоприймач, який містить підкладку, активний елемент, що здатний приймати інфрачервоне випромінювання та прозоре для випромінювання герметизуюче покриття, який відрізняється тим, що герметизуюче покриття містить щонайменше два шари, виконані з матеріалу на основі багатокомпонентних халькогенідних стекол систем (Ge, Pb)-As-(S, Se), причому сукупний об'єм шарів перевищує об'єм активного елемента щонайменше у два рази, а форма зовнішнього шару герметизуючого покриття виконана у вигляді параболічної поверхні обертання. 4 UA 112695 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 2. Фотоприймач за п. 1, який відрізняється тим, що активний елемент утворений з напівпровідникового матеріалу, який використовується як фотоопір. 3. Фотоприймач за п. 1, який відрізняється тим, що активний елемент утворений з напівпровідникового матеріалу, який містить р-n-перехід. 4. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що електричні контакти активного елемента знаходяться в безпосередньому контакті з електричними провідниками підкладки. 5. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що активний елемент здатний приймати світлове випромінювання у дальній інфрачервоній області спектра. 6. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що кожен наступний шар герметизуючого покриття, починаючи від активного елемента, виконаний із матеріалу, який має меншу температуру розм'якшення. 7. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що кожен наступний шар герметизуючого покриття, починаючи від активного елемента, виконаний із матеріалу, показник заломлення якого менший за показник заломлення попереднього матеріалу. 8. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що щонайменше два шари виготовлені із різних за хімічним складом халькогенідних стекол. 9. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що містить щонайменше один шар герметизуючого покриття, який розміщений тільки на активному елементі. 10. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-9, який відрізняється тим, що різні шари герметизуючого покриття мають різну форму. 11. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що щонайменше один шар герметизуючого покриття виконаний у вигляді плівки. 12. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-11, який відрізняється тим, що герметизуюче покриття здатне виконувати функцію оптичного фільтра. 13. Фотоприймач за пп. 1-12, який відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один шар герметизуючого покриття й легованого щонайменше одним рідкоземельним елементом. 14. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-13, який відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один шар герметизуючого покриття, виконаного на основі компаунда або люмінофора. 15. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-14, який відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один шар герметизуючого покриття, виконаного у вигляді плівки з іншого матеріалу. 16. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-15, який відрізняється тим, що підкладка містить відбиваюче заглиблення у формі зрізаного еліптичного параболоїда. 17. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-16, який відрізняється тим, що підкладка додатково містить відбиваюче покриття, яке одночасно здатне виконувати функцію електричного контакту для активного елемента. 18. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-17, який відрізняється тим, що підкладка виготовлена з матеріалу, який проводить електричний струм. 19. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-18, який відрізняється тим, що підкладка розміщена на додатково встановленому напівпровідниковому мікрохолодильнику. 20. Фотоприймач за будь-яким з пп. 1-19, який відрізняється тим, що підкладка розміщена на додатково встановленому резервуарі, охолодженому до кріогенних температур. 5 UA 112695 C2 6 UA 112695 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7