CC BY
16Особенности получения координатно-чувствительного приемника оптического излучения на основе полупроводниковых пленок с аномальным фотонапряжением
Рахимов Н.Р., Минин О. В., Минин И. В., Алижанов Д.Д. ФГБОУ ВПО НГТУ, ФГБОУ ВПО СГГУ (Россия)
Аннотация. В настоящей статье приведены результаты исследований эффекта аномально высоких фотоэлектрических напряжений (АФН) в полупроводниковых плёночных системах. Впервые изложена методика и приведены результаты экспериментальных исследований возможности получения эффективного координатно-чувствительного приёмника оптического излучения (ПОИ) из полупроводниковых соединений в виде ступенчатообразной АФН-плёнки.
Ключевые слова: Светоизлучающий диод, фотоприемник, АФН-пленки.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящей статье приведены результаты исследований эффекта аномально высоких фотоэлектрических напряжений (АФН) в полупроводниковых плёночных системах, которые могут рассматриваться как генераторы тока под действием падающего излучения. На основе такого фотогенератора можно разработать двумерный координатно-чувствительный автономный ПОИ, выходной сигнал которого содержит информацию о направлении и величине смещения излучающего объекта по осям X и У.
Приемники оптического излучения (ПОИ) на основе АФН пленок [1, 2] представляют собой функциональный преобразователь, трансформирующий световой поток интенсивности Ф0 в аномально большое фотонапряжение КАФН. Согласно принятой модели [3], эта трансформация состоит из трех этапов.
Во-первых, создания фототока 1Фо, обусловленного фотогенерацией и
пространственным разделением неравновесных носителей на каждом микро-р-п-переходе. Во-вторых, возникновения элементарных напряжений на микро-р-п-переходах в результате накопления объемных зарядов, создаваемых фототоком. В-третьих, формирования аномально большого фотонапряжения путем суммирования элементарных фотонапряжений на р-п-переходах.
Технология получения АФН-пленок
основана
на
термическом испарении полупроводниковых материалов в вакууме 10-3 -10-5 мм.рт.ст.
В работах [1-12] получены АФН-пленки из различных полупроводниковых материалов с широкой и узкой запрещенной зоной - СёТе, Ов, GaAs, ОаР, Бв, РЬБ халькогенидные сплавы, - используя метод вакуумного испарения. Однако полученные этим методом пленки обладают низким генерируемым напряжением.
Технологический режим получения АФН-плёнок зависит от большого числа параметров, таких как температура подложки и испарителя, угол напыления, толщина стенки, состав и давление остаточных газов в вакуумной камере, условия термической обработки плёнок после напыления и т.д. Наиболее эффективно изготовление АФН-плёнок на основе соединения теллурида кадмия, включающее нанесение исходного материала на одну сторону подложки термическим испарением в вакууме, где в качестве исходного материала используют теллурид кадмия, на противоположную сторону подложки наносят отражающий слой из серебра при температуре положки 250-300°С и давлении 5-10-4-5-10-3 мм.рт.ст. (6,65-10-2 - 6,65-10-1 Па), подложку располагают под углом 45° к направлению молекулярного пучка, чтобы создать поверхностную угловую анизотропию,
приводящую к появлению аномального фотонапряжения. Часть падающего светового потока, прошедшего через исходный материал и стеклянную подложку, попадает на отражающий слой из серебра и, отражаясь, попадает на обратную сторону слоя теллурида кадмия, в результате которого происходит дополнительное поглощение света и, тем самым, увеличивается генерируемое фотонапряжение на некоторые значения АФН [4-7].
Одним из перспективных оптических методов неразрушающего контроля является оптоэлектронный способ на основе излучателя и АФН-приемника, который позволяет исключить внешний источник питания для ПОИ, снизить вес и габариты, обеспечивает полную электрическую развязку между цепями «светоизлучающий диод - ПОИ».
Рис. 1. Классификация функциональных возможностей ПОИ
КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ
В зависимости от функциональных возможностей ПОИ подразделяют на амплитудные (интегральные), реагирующие только на величину среднего значения освещенности их фоточувствительной поверхности, и координатно-чувствительные (информационные), реагирующие на пространственное распределение оптического сигнала (рис. 1). Координатно-чувствительные ПОИ в свою очередь подразделяются на селективно-преобразовательные, позиционно-чувствительные и двумерные координатно-чувствительные.
Селективно-преобразовательные ПОИ служат для анализа изображения и сканирование, обеспечивающее преобразование пространственно распределенного оптического
сигнала во временное распределение электрического видеосигнала. Сканирование может быть основано на самых различных физических явлениях с использованием, как правило, линейно-построчной развертки изображения [3].
Рис. 2. Структура матричного АФН -преобразователя оптического изображения в электрический потенциальный рельеф: а- внешний вид, б -разрез
Матричный АФН-приемник [8], осуществляющий трансформацию
распределенного радиационного потока (оптического изображения) в электрический потенциальный рельеф, создается на стеклометаллической пластине с дискретной анизотропной проводимостью, состоящей из стеклянной основы 1 и пронизывающих ее тонких коваровых проволочек 2 (рис. 2). На одну из сторон такой стеклометаллической пластины катодным распылением наносится тонкий слой платины 3, после чего с помощью коварового травителя создаются лунки 4.
На поверхность подготовленной таким образом пластины термическим испарением в вакууме наносится фоточувствительная полупроводниковая пленка, генерирующая при освещении АФН. Напыление производится под углом к нормали (5 - направление молекулярного пучка), в результате чего на боковой поверхности каждой лунки образуется дискретный фотовольтаичекий элемент 6 в виде АФН-пленки, контактирующей одним концом с коваровым волокном (вывод элементарной фотоячейки) а другим - с общим платиновым электродом на поверхности пластины. Система таких микрофотоэлементов образует фотоприемную матрицу, представляющую собой автономный датчик многоэлементной
оптической информации.
При подаче оптического изображения на активную поверхность стеклометаллической пластины, описываемый матричный датчик создает на концах коваровых волокон, выходящих на вторую поверхность, электрический потенциальный рельеф, соответствующий распределению
интенсивности в падающем световом потоке.
В отличие от всех известных матричных фотоприемников описываемая структура работает без внешних источников электрического питания. Отметим еще, что она представляет собой фоточувствительную матрицу с высокой пространственной разрешающей способностью, изготовление которой не требует сложной и прецизионной масочной техники, применяемой для нанесения микрофотоэлементов и их совмещения с токосъемными электродами в твердотельных матрицах известных типов.
Позиционно-чувствительные ПОИ
позволяют выделить информацию только о координате одного точечного источника излучения, значительно превышающего по интенсивности фоновую засветку.
На основе выше приведенной технологии получены позиционно-чувствительные АФН-пленки и изготовлен позиционно-чувстви-тельные автономный приемник оптического излучения КЧП-1М, состоящий из стеклянной подложки, фоточувствительной АФН-пленки из полупроводникового материала и металических контактов [9, 10].
Однако КЧП-1М имеет низкую чувствительность к координатам оптического излучения за счет неоднородной структуры полученного АФН-слоя.
В работе [11-12] изложена методика и приведены результаты экспериментального исследования получения эффективного позиционно-чувствительные ПОИ из полупроводниковых соединений в виде ступенчатообразной АФН-пленки с постепенным увеличением толщины ступенек, начиная с ~ 1 мкм.
Для получения пленок различной толщины использовалась вакуумная установка ВУП-2к. В рабочей камере вакуум достигал порядка 10-4...10-5 мм рт. ст., температура подложки 310...480°С, подложку располагали под углом 45° к направлению молекулярного пучка.
В качестве подложек использовалось стекло толщиной 2 мм. Подготовленные подложки помещались в специальный
держатель, а на поверхность подложки устанавливалась маска из изоляционного материала (гетинакс). В рабочую камеру устанавливался микроэлектродвигатель
(2 об/мин), для открытия или закрытия поверхности подложки. Открытие поверхности подложки осуществляется электродвигателем при помощи лёгкого термостойкого шнура, связанного с маской. При вращении двигателя постепенно открывается поверхность подложки. Плёнки, полученные на подложке с размером 2x20 мм, ступенчатообразны. Толщина каждой ступени определялась при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4.
На рис. 3 приведено изображение аномально фотонапряженной плёнки. Падающий поток света Ф0 генерирует АФН. При перемещении позиции монохроматического излучения от ступеньки с толщиной пленки 1 мкм до ступеньки с толщиной пленки 2,0 мкм, пропорционально уменьшается генерируемое фотонапряжение КАФН.
Проанализировав графики зависимости УАФН от толщины можно считать, что АФН-эффект в пленках типа теллурида кадмия связан с суммированием напряжений р-п-переходов, образующихся на границе гексагональной и кубических фаз. Многочисленные опыты [1-7] показывают, что для пленок теллурида кадмия эффективная толщина чувствительного слоя составляет 1 мкм. Исследованы зависимости УАФН от толщины пленки (рис. 4).
В исследованных нами термически обработанных пленках фотонапряжение сначала возрастало (до 1 мкм толщины), а потом с увеличением толщины уменьшалось. Монохроматическое освещение при всех измерениях поддерживалось постоянным I = 104 лк.
Пример 1. Фоточувствительный слой наносят термическим испарением
кристаллического теллурида кадмия при температуре 420°С в вакууме 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при изначально закрытой маске. Маска открывается ступенчатообразно, обеспечивая ступенчатое изменение толщины пленки. Толщины ступенек составляют: 0,8 мкм; 1,3 мкм; 1,5 мкм; 1,8 мкм. Величины АФН по ступенькам: 65 В; 32 В; 26 В; 8 В соответственно, при I = 104 лк.
Рис. 3. Координатно-чувствительная АФН-пленка: 1-ступенчатообразный фоточувствительный слой из кристаллического теллурида кадмия; 2 - стеклянная подложка, 3 - металлические контакты, Ф0 - поток падающего направленного монохроматического излучения
Пример 2. Фоточувствительный слой наносят термическим испарением кристалл-лического теллурида кадмия при температуре 470°С в вакууме 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при изначально закрытой маске. Маска открывается ступенчатообразно, обеспечивая ступенчатое изменение толщины пленки. Толщины ступенек составляют: 0,9 мкм; 1,4 мкм; 1,6 мкм; 1,8 мкм; 2,0 мкм. Величины АФН по ступенькам: 55 В; 38 В; 33 В; 26 В; 12 В соответственно, при I = 104 лк.
О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 й^шьмкм Рис. 4. Зависимость ГАФН от толщины пленки
Пример 3. Фоточувствительный слой наносят термическим испарением
кристаллического теллурида кадмия при температуре 480°С в вакууме 10-4 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при изначально закрытой маске. Маска открывается ступенчатообразно, обеспечивая ступенчатое изменение толщины пленки.
Толщины ступенек составляют: 0,9 мкм; 1,0 мкм; 1,3 мкм; 1,8 мкм. Величины АФН по ступенькам: 86 В; 110 В; 38 В; 26 В соответственно, при I = 104 лк.
Пример 4. Фоточувствительный слой наносят термическим испарением
кристаллического теллурида кадмия при температуре 480°С в вакууме 10-4 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при изначально закрытой маске. Маска открывается ступенчатообразно, обеспечивая ступенчатое изменение толщины пленки. Толщины ступенек составляют: 1,0 мкм; 1,2 мкм; 1,4 мкм; 1,6 мкм; 1,8 мкм. Величины АФН по ступенькам: 150 В; 96 В; 85 В; 43 В; 22 В соответственно, при I = 104 лк.
На основе описанного выше позиционно-чувствительного фотогенератора можно разработать позиционно-чувствительный
автономный приёмник оптического излучения, выходной сигнал которого будет содержать информацию о направлении и величине смещения излучающего объекта, что и было сделано. Основные параметры позиционно-чувствительного приемника оптического излучения на основе АФН-пленки из CdTв: чувствительность 2...5 В/мм при освещенности 10 лк; внутренне сопротивление 1012...1014 Ом; постоянная времени 0,8.1,0 с; спектр излучения 0,5.0,83 мкм; чувствительная область 2^15 мм. Габариты приемника 2*2*20 мм, масса не более 3,0 г.
Двумерный координатно-чувствительный ПОИ относится к наиболее универсальным, так как позволяет преобразовывать в электрический сигнал всю информацию о пространственном распределении интенсивности оптического сигнала. Большинство двумерных координатно-чувствительных ПОИ используют принцип прибора с зарядовой связью (ПЗС). В работе [13] получен двумерный координатно-чувствительный датчик для регистрации параметров оптического излучения, состоящий из фотодетектора, например ПЗС-матрицы, перед которым установлен оптический элемент, коэффициент пропускания которого изменяется в зависимости от местонахождения на световом диаметре элемента. Недостатком этих датчиков является сложность оптической системы, низкая чувствительность и обязательное применение электропитания.
Исходя из этого, была поставлена задача создания двумерного координатно-чувстви-
тельного автономного приемника оптического излучения повышенной чувствительности [14].
Указанная цель достигается тем, что двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения, полученный из полупроводниковых соединений в виде двумерной (по координатам X и У) ступенчатообразной АФН-пленки с
постепенным увеличением толщины ступенек по оси X, с продолжением увеличения на каждой следующей ступеньке по оси У или наоборот.
На рис. 5 приведены изображения АФН-плёнки. Падающий поток света Ф0 генерирует фотонапряжение АФН. При перемещении позиции монохроматического излучения от ступеньки с толщиной пленки 1 мкм до ступеньки с толщиной пленки 2,6 мкм, пропорционально уменьшается генерируемое фотонапряжение КАФН.
В исследованных термически
обработанных пленках, фотонапряжение сначала возрастало (до толщины 1 мкм), а с последующим увеличением толщины уменьшалось. Монохроматическое освещение при всех измерениях поддерживалось постоянным I =104 лк.
Пример 1. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристалл-лического теллурида кадмия при температуре 420°С в вакууме 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начальной закрытых шторках маски. Сначала на один шаг открывается шторка по оси У при последующем пошаговом открывании второй шторки по оси X. После полного открытия шторки по оси X она возвращается в исходное положение, а шторка по оси У открывается еще на шаг, и так до полного открытия всей маски. Толщины ступенек при размере матрицы 3x3 мм составляют: 0,8 мкм; 1,0 мкм; 1,2 мкм; 1,3 мкм; 1,5 мкм; 1,8 мкм; 2,0 мкм; 2,3 мкм; 2,6 мкм. Величины АФН по ступенькам: 45 В; 60 В; 51 В; 45 В; 34 В; 31 В; 17 В; 6 В; 2 В соответственно, при I = 104 лк.
Пример 2. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия при температуре 420°С в вакууме 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начальной закрытых шторках маски. Сначала на один шаг открывается шторка по оси У при последующем пошаговом открывании
второй шторки по оси X. После полного открытия шторки по оси X она возвращается в исходное положение, а шторка по оси У открывается еще на шаг, и так до полного открытия всей маски. Толщины ступенек при размере матрицы 3x3 мм составляют: 0,9 мкм; 1,2 мкм; 1,4 мкм; 1,6 мкм; 1,8 мкм; 1,9 мкм; 2,1 мкм; 2,3 мкм; 2,5 мкм. Величины АФН по ступенькам: 55 В; 48 В; 40 В; 38 В; 31 В; 27 В; 18 В; 9 В; 3 В соответственно, при I = 104 лк.
Рис. 5. Двумерная ступенчатообразная фоточувствительная АФН-пленка: 1 - двумерный ступенчатообразный фоточувствительный слой из кристаллического теллурида кадмия; 2 - стеклянная подложка; 3 - металлические контакты; Ф0 - поток падающего направленного монохроматического излучения
Пример 3. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия при температуре 420°С в вакууме 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начальной открытых шторках маски. Сначала на один шаг закрывается шторка по оси У при последующем пошаговом закрывании второй шторки по оси X. После полного закрытия шторки по оси X она возвращается в исходное положение, а шторка по оси У закрывается еще на шаг, и так до полного закрытия всей маски. Толщины ступенек при размере матрицы 3x3 мм составляют: 1,0 мкм; 1,3 мкм; 1,4 мкм; 1,5 мкм; 1,7 мкм; 1,8 мкм; 2,0 мкм; 2,1 мкм; 2,3 мкм. Величины АФН по ступенькам: 68 В; 52 В; 44 В; 41 В; 34 В; 27 В; 23 В; 15 В; 8 В соответственно, при I = 104 лк.
Пример 4. Фоточувствительный слой нано-
сится термическим испарением кристалл-лического теллурида кадмия при температуре 420°С в вакууме 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начальной открытых шторках маски. Сначала на один шаг закрывается шторка по оси У при последующем пошаговом закрывании второй шторки по оси X. После полного закрытия шторки по оси X она возвращается в исходное положение, а шторка по оси У закрывается еще на шаг, и так до полного закрытия всей маски. Толщины ступенек при размере матрицы 3x3 мм составляют: 1,0 мкм; 1,1 мкм; 1,3 мкм;
1.4 мкм; 1,6 мкм; 1,7 мкм; 1,9 мкм; 2,2 мкм;
2.5 мкм. Величины АФН по ступенькам: 78 В; 58 В; 45 В; 41 В; 32 В; 26 В; 14 В; 8 В; 5 В соответственно, при I = 104 лк.
На основе такого фотогенератора можно разработать двумерный координатно-чувстви-тельный автономный ПОИ, выходной сигнал которого содержит информацию о направлении и величине смещения излучающего объекта по осям X и У. На основе АФН-плёнки, полученной по способу получения двумерного координатно-чувствительного фотогенератора, изготовлен двумерный координатно-чувствительный автономный ПОИ, предназначенный для определения координат источника светового излучения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки, Темплан, проект № 7.559.2011.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Рахимов Н.Р. Серьёзнов А.Н. АФН-пленки и их применение / монография. - Новосибирск: СибНИА, 2005. -64 с.
[2] Рахимов Н.Р., Мамадалиева Л.К. // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т 47. №8. С. 53-56.
[3] Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроники / Под ред. Э.И. Адировича // Ташкент. «ФАН». 1972. С. 177.
[4] Рахимов Н.Р., Хатамов С.О., Газиев Б. Технология изготовления АФН-пленок теллурида кадмия с серебром / кн. «Взаимодействия ионов с поверхностью ВИП - 2003». - Москва, 2003. Том 2. - С. 196-199.
[5] Рахимов Н.Р, С.О. Хатамов. Получение отражающих серебряных покрытий ионной бомбардировкой для увеличения АФН-эффекта / кн. «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП - 2001». - Москва, 2001. Том 2. - С. 191-194.
[6] Рахимов Н.Р. // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Сб. статей. Киев. 2000. С. 59-63.
[7] Рахимов Н.Р. Касымахунова, А.М. Усманов Ш.Ю. Способ получения фотогенераторов / Патент РУз IAP 02610 от 25.02.2003 г.
[8] Мастов Э.М. Исследование аномального большого фотомагнитного эффекта в пленках теллурида кадмия: дис. канд. физ.-мат. наук. - Ташкент, 1972. - 125 с.
[9] Rahimov N.R., Dzhurakhalov A.A. Investigation of APV-CdTe-films and development of optoelectronic devices on their basis / The European material research conference EMRS 2002 Spring meeting. - Strasbourg-France, 2002. - P. 242.
[10] Mirzamakhmudov T.M., Rahimov N.R., Gafurov U.A. Coordinate and Sensitive self-contained optical radiation detector КЧП-1М / Moscow: Vneshtorgizdat. № 3823T,1991. 2 p.
[11] Рахимов Н.Р, А.Н. Серьёзнов. Координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения / Патент РФ №2246779, БИ. 2005. №5.
[12] Рахимов Н.Р, Серьёзнов А.Н. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения на основе пленок с аномальным фотонапряжением / ПТЭ, 2005. № 4. -С. 125-126.
[13] Заявка № 19714820 Германия, МПК6 G 01 J 1/22, B 64 G 1/36. Optischer positionsauflösender Sensor. Опуб. 15.10.98.
[14] Рахимов Н.Р., Серьёзнов А.Н., Петров П.М. Двумерный координатно-чувствительный приемник оптического излучения / Пол. решение по заявке 2005 113383/28 к выдаче патента РФ.
Нематжон Рахимович Рахимов д.т.н., профессор, каф. СУ и Т, ФГБОУ ВПО «СГГА», 8-903-935-21-75, факс +7(383)344-40-58, E-mail: n rah@ngs.ru
Игорь Владиленович Минин - д.т.н., профессор кафедры Метрологии ФГБОУ ВПО "СГГА". E-mail: prof.minin@gmail.com
Олег Владиленович Минин - д.т.н., профессор зав. кафедрой Метрологии ФГБОУ ВПО "СГГА". E-mail: prof.minin@gmail.com
Донёрбек Дилшодович Алижанов, аспирант НГТУ автор 8 научных публикаций. E-mail: doni.al@mail.ru
