CC BY
46
УДК 621.382:530.93:365.2
Н. Р. Рахимов, А. Н. Серьезнов, С. Х. Шамирзаев
Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина
Новосибирск
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ПРИЕМНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АФН-ПЛЕНОК
Изложена технология изготовления матричного координатно-чувствительного приемника оптического излучения на основе полупроводниковых соединений в виде ступенчатообразной пленки с аномально высоким фотонапряжением.
Приемник оптического излучения (ПОИ) на основе АФН-пленок (подробнее о получении аномально фотонапряженных пленок см. работы [1,2]) представляет собой функциональный преобразователь, трансформирующий световой поток интенсивности в аномально высокое фотонапряжение. В соответствии с рассмотренной в работе [3] моделью процесс трансформации включает три этапа:
— создание фототока, обусловленного фотогенерацией и пространственным разделением неравновесных носителей на каждом микро- р—и-переходе;
— возникновение элементарных напряжений на микро- р—и-переходах в результате накопления объемных зарядов, создаваемых фототоком;
— формирование аномально большого фотонапряжения путем суммирования элементарных фотонапряжений на р—и-переходах.
Технология изготовления АФН-пленок из различных полупроводниковых материалов (СёТе, Ое, ОаЛБ, ОаР, Бе, РЬБ) в виде халькогенидных сплавов, полученных методом вакуумного испарения, описана в работах [1—12]. Следует отметить, что технологический режим получения АФН-пленок зависит от большого числа параметров, таких как температура подложки и испарения, угол напыления, толщина стенки, состав и давление остаточных газов в вакуумной камере, условия термической обработки пленок после напыления и т. д.
Одним из перспективных оптических методов неразрушающего контроля является оп-тоэлектронный способ на основе использования излучателя и АФН-приемника, что позволяет исключить внешний источник питания для ПОИ, снизить вес и размеры, обеспечить полную электрическую развязку между цепями „светоизлучающий диод — ПОИ".
В зависимости от функциональных возможностей ПОИ подразделяют на амплитудные (интегральные), реагирующие только на среднее значение освещенности фоточувствительной поверхности, и координатно-чувствительные (информационные), реагирующие на пространственное распределение оптического сигнала. Координатно-чувствительные ПОИ, в свою очередь, подразделяются на селективно-преобразовательные, позиционно-чувствительные и двухмерные координатно-чувствительные.
Селективно-преобразовательные ПОИ служат для анализа изображения и сканирования, обеспечивающего преобразование пространственно распределенного оптического сигнала в электрический видеосигнал. Сканирование осуществляется с использованием, как правило, линейно-построчной развертки изображения [3].
Матричный АФН-приемник представляет собой стеклометаллическую пластину с дискретной анизотропной проводимостью, состоящую из стеклянной основы 1 и пронизывающих ее тонких коваровых волокон 2 (рис. 1: а — внешний вид, б — вид в разрезе). На одну из
сторон стеклометаллическои пластины катодным распылением наносится тонкии слои платины 3, после чего с помощью коварового травителя создаются лунки 4. На поверхность подготовленной таким образом пластины термическим испарением в вакууме наносится фоточувствительная полупроводниковая
5
б)
6
4
Рис. 1
пленка, генерирующая при освещении аномальное фотонапряжение. 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, контактирующий одним концом с коваровым волокном (вывод элементарной фотоячейки), а другим — с общим платиновым электродом, расположенным 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 матричный датчик создает на выходах коваровых волокон сложный электрический сигнал, соответствующий пространственному распределению интенсивности падающего светового потока.
В отличие от известных матричных фотоприемников описываемая структура работает при отсутствии внешних источников электрического питания. Отметим также, что эта структура представляет собой фоточувствительную матрицу с высокой пространственной разрешающей способностью, изготовление которой не требует применения сложной и прецизионной масочной техники.
Позиционно-чувствительные ПОИ позволяют выделить информацию только о координате одного точечного источника излучения, значительно превышающего по интенсивности фоновую засветку.
На основе приведенной технологии были получены позиционно-чувствительные АФН-пленки и изготовлен позиционно-чувствительный автономный приемник оптического излучения КЧП-1М, состоящий из стеклянной подложки и фоточувствительной АФН-пленки из полупроводникового материала [9, 10]. Однако этот приемник имеет низкую чувствительность к оптическому излучению вследствие неоднородной структуры полученного АФН-слоя.
В работах [11, 12] приведены методика и результаты экспериментального исследования по изготовлению эффективного позиционно-чувствительного ПОИ из полупроводниковых соединений в виде ступенчатообразной АФН-пленки.
Для получения пленок различной толщины использовалась вакуумная установка ВУП-2к. В рабочей камере давление вакуума достигало значения порядка 10-4.. ,10-5 мм рт. ст., температура подложки составляла 310.480 °С, подложку располагали под углом 45° к направлению молекулярного пучка напыляемого материала.
В качестве подложки использовалось стекло толщиной 2 мм. Подготовленная подложка помещалась в специальный держатель, где накрывалась подвижной маской из изоляционного материала (гетинакс). В рабочую камеру устанавливался микроэлектродвигатель (2 об/мин), при вращении которого с помощью термостойкого шнура, связанного с маской, постепенно открывалась поверхность подложки. В результате на подложке размером 2x20 мм получались ступенчатообразные пленки. Толщина каждой ступени определялась при использовании интерференционного микроскопа МИИ-4.
Нанесение пленки возможно при различных режимах. Например, фоточувствительный слой наносят термическим испарением кристаллического теллурида кадмия при температуре 480 °С в вакууме при давлении 10-4 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при изначально закрытой маске. Маска открывается постепенно, обеспечивая ступенчатое изменение толщины пленки, составляющее 1,0, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8 мкм. Значение АФН также ступенчато изменяется: 150, 96, 85, 43, 22 В соответственно при освещенности I = 104 лк.
Структура аномально фотонапряженной пленки приведена на рис. 2, где 1 — ступенча-тообразный фоточувствительный слой кристаллического теллурида кадмия, 2 — стеклянная подложка, 3 — металлические контакты. При перемещении потока падающего направленного монохроматического излучения Ф0 от ступени с толщиной пленки 1 мкм до ступени с толщиной пленки 1,8 мкм пропорционально уменьшается генерируемое фотонапряжение ЦлФН.
Анализ графиков зависимости фотонапряжения иАФН от толщины й пленки (рис. 3) показывает, что АФН-эффект в пленках типа теллурида кадмия связан с суммированием напряжений р—и-переходов. Согласно опытным данным [1—7] для пленок теллурида кадмия эффективная толщина чувствительного слоя составляет 1 мкм. В исследованных термически обработанных пленках фотонапряжение сначала возрастало, а потом с увеличением толщины уменьшалось. Монохроматическая освещенность при всех измерениях поддерживалась постоянной.
3
1Ф0
и А
1.0 мкм
Я Я У У У У
У У У У У
2-. Я Я У/ У У У
У У, У У У
.Я Я У У У У
"у У, У У У
Я У У, У У У
у У У У У
Рис. 2
, В
800
600
400
200
0,8
Рис. 3
2,0 й, мкм
На основе описанного устройства был разработан позиционно-чувствительный автономный приемник оптического излучения, выходной сигнал которого содержит информацию о направлении и величине смещения потока излучения.
Ниже приведены основные параметры позиционно-чувствительного ПОИ на основе АФН-пленки из СёТе.
Чувствительность, В/мм. Освещенность, лк............
2—5 10
Внутреннее сопротивление, Ом............................................................1012—1014
Постоянная времени, с........................................................................................0,8—1,0
Спектр излучения, мкм........................................................................................0,5—0,83
Размеры чувствительной области, мм.................... 2*15
Размеры, мм............................................................................................................................2*2*20
Масса, г, не более..................................................... 3,0
Двухмерный координатно-чувствительный ПОИ относится к наиболее универсальным, так как позволяет преобразовывать в электрический сигнал всю информацию о пространственном распределении интенсивности оптического сигнала. Большинство таких приемников
3
0
используют принцип прибора с зарядовой связью (ПЗС). В работе [13] описан двухмерный 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 его местонахождения. Недостатками этого датчика являются сложность оптической системы, низкая чувствительность и обязательное применение электропитания.
Исходя из этого была поставлена задача создания двухмерного координатно-чувствительного автономного приемника оптического излучения повышенной чувствительности [14]. Указанная цель достигается тем, что создается двухмерная ступенчатообразная полупроводниковая АФН-пленка с постепенным увеличением толщины ступеней по оси X, с продолжением увеличения на каждой следующей ступени по оси У или наоборот. Технология изготовления пленки аналогична описанной выше для одномерного координатно-чувстви-тельного фотоприемника. Пленки, получаемые на подложке размером 20*20 мм, двухмерно ступенчатообразны по осям X и У. Толщина каждой ступени определяется при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4.
На рис. 4 приведена структура такой АФН-пленки, где 1 — двухмерный ступенчатооб-разный фоточувствительный слой кристаллического теллурида кадмия, 2 — стеклянная подложка, 3 — металлические контакты. Как и в случае с одномерной пленкой возможны различные режимы нанесения.
А—А
3
Пример 1. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия при температуре 420 °С в вакууме при давлении 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при начально 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. Толщина ступеней при размере матрицы 3x3 составляет: 0,8, 1,0, 1,2, 1,3, 1,5, 1,8, 2,0, 2,3, 2,6 мкм; значения АФН соответственно 45, 60, 51, 45, 34, 31, 17, 6, 2 В при освещенности I = 104 лк.
Пример 2. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия при температуре 420 °С в вакууме при давлении 10-5 мм рт. ст. на стеклянную подложку, расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка, при начально 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. Толщина ступеней при размере матрицы 3x3 составляет: 1,0, 1,3, 1,4, 1,5, 1,7, 1,8, 2,0, 2,1, 2,3 мкм; значения АФН соответственно 68, 52, 44, 41, 34, 27, 23, 15, 8 В при освещенности I = 104 лк.
На основе устройства, полученного описанным способом, выходной сигнал которого содержит информацию о направлении и величине смещения потока излучения по осям X и Y, построен двухмерный координатно-чувствительный автономный ПОИ, предназначенный для определения координат источника светового излучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рахимов Н. Р., Серьезнов А. Н. АФН-пленки и их применение. Новосибирск: СибНИА, 2005. 64 с.
2. Рахимов Н. Р., Мамадалиева Л. К. Приемники оптического излучения на основе АФН-пленок // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т 47, № 8. С. 53—56.
3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектронике / 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 // Взаимодействия ионов с поверхностью. М., 2003. Т. 2. С. 196—199.
5. Рахимов Н. Р., Хатамов С. О. Получение отражающих серебряных покрытий ионной бомбардировкой для увеличения АФН-эффекта // Взаимодействие ионов с поверхностью. М., 2001. Т. 2. С. 191—194.
6. Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Сб. статей. Киев, 2000. С. 59—63.
7. Пат. РУз 1АР 02610. Способ получения фотогенераторов / Н. Р. Рахимов, А. М. Касымахунова, Ш. Ю. Усма-нов. 2003.
8. Мастов Э. М. Исследование аномально большого фотомагнитного эффекта в пленках теллурида кадмия: Автореф. 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 Conf. 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, 1991.
11. Пат. РФ № 2246779. Координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения / Н. Р. Рахимов, А. Н. Серьезнов // Б. И. 2005. № 5.
12. Рахимов Н. Р., Серьезнов А. Н. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения на основе пленок с аномальным фотонапряжением // ПТЭ. 2005. № 4. С. 125—126.
13. Optischer positionsauflösender Sensor. Заявка № 19714820 Германия, МПК6 G 01 J 1/22, B 64 G 1/36. Опуб. 15.10.98.
14. Двухмерный координатно-чувствительный приемник оптического излучения / Н. Р. Рахимов, А. Н. Серьезнов, П. М. Петров. Пол. решение по заявке 2005 113383/28.
Рекомендована Институтом Поступила в редакцию
18.09.06 г.
