Лазерный экран электронно-лучевой трубки и способ его изготовления

 

Сущность изобретения: лазерный экран электронно-лучевой трубки содержит полупроводниковый слой с зеркальными покрытиями, закрепленный на хладопроводящей подложке, причем зеркальное покрытие со стороны подложки имеет систему отверстий или прорезей. Способ изготовления лазерного экрана, включающий изготовление монокристаллической хладопроводящей пластины, нанесение на одну из поверхностей пластины зеркального покрытия с системой отверстий или прорезей, наращивание на этом покрытии полупроводникового слоя, унаследующего кристаллическую решетку пластины через отверстия в покрытии, и нанесение второго зеркального покрытия. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к кинескопам высокой яркости и может быть использовано в проекционном телевидении, а также в системах, использующих сканирующий световой пучок.

Известен полупроводниковый лазер с оптической накачкой, который в качестве активной среды содержит многослойную структуру, состоящую из активных, отражающих и пассивных монокристаллических эпитаксиальных слоев с различными значениями ширины запрещенной зоны и показателя преломления (Jewell J.L. et. al. Vertical cavity single quantum well laser. Appl. Phys. Lett. 1989. Vol. 55. P.424).

Данная структура может быть использована в качестве лазерного экрана электронно-лучевой трубки. Ее особенностью является то, что все слои выполнены из неорганических материалов, стойких к облучению электронным пучком, имеющих близкие значения коэффициентов температурного расширения и достаточно высокую теплопроводность, молекулярная связь на гетерогранице не хуже внутрикристаллической. Это принципиально обеспечивает высокую механическую прочность и высокий срок службы такого лазерного экрана при рабочих температурах вплоть до комнатных.

Известен способ изготовления подобных структур, включающий последовательное эпитаксиальное наращивание слоев различного состава химическим осаждением из элементоорганических соединений (Koyama F. et.al GaAlAs/GaAs MOCVD Growth for Surface Emitting Laser, Jap. J. of Appl. Phys. 1987. Vol.26. N 7. P.1077-1081).

Этот способ осуществим лишь при высоком структурном совершенстве ростовых подложек и хорошем согласовании параметров решеток всех наращиваемых монокристаллических слоев.

Недостатком устройства и способа его изготовления является то, что такие структуры удается вырастить лишь для ряда полупроводниковых соединений A₃B₅, излучающих в ближней инфракрасной области спектра.

Известен лазерный экран, содержащий прозрачную подложку и структуру, состоящую из последовательно расположенных серебряного зеркального покрытия, активного полупроводникового слоя, пассивного прозрачного полупроводникового слоя и многослойного полупрозрачного покрытия, которым структура приклеена к подложке (Кацап В.Н. и др. Гетероструктуры CdS_xSe_1-x/CdS в лазерах с продольной накачкой электронным пучком. Квантовая электроника. 1987. Т.14. N 10. С. 1994-1997).

В данной работе описан способ изготовления такого лазерного экрана, при котором монокристаллическую полупроводниковую пластину необходимой ориентации полируют с одной стороны, наращивают на эту сторону пассивный слой из близкого по составу, но более широкозонного полупроводникового соединения, полируют нарощенный слой, наносят полупрозрачное диэлектрическое покрытие на этот слой, приклеивают пластину на подложку, шлифуют и полируют вторую сторону монокристаллической полупроводниковой пластины и наносят глухое металлическое покрытие.

В этом способе пассивный слой наращивается методом статической пересублимации в квазизамкнутом объеме при температуре 1175-1225 К в атмосфере аргона или водорода. У лазерного экрана, изготовленного этим способом, граница монокристаллическая пластина пассивный слой находится внутри оптического резонатора, образованного металлическим и диэлектрическим зеркалами. Толщина пассивного слоя может быть достаточно большой, до нескольких сот микрон, чтобы обеспечить необходимую механическую прочность всей структуры и отладить границу структура клеевой слой от области возбуждения электронным пучком (глубина возбуждения составляет несколько микрон).

Недостатком данного устройства и способа его изготовления является то, что такие лазерные экраны имеют низкую эффективность излучения при комнатной температуре в видимой или в ближней ультрафиолетовой областях спектра. Для изготовления лазерных экранов, излучающих в этих областях спектра, используются полупроводниковые соединения A₂B₆, для которых наращивание пассивного слоя описанным методом приводит к ухудшению излучательных свойств активного слоя.

Известен лазерный экран в виде монокристаллической полупроводниковой пластины с зеркальными покрытиями на обеих поверхностях, приклеенной к прозрачной хладопроводящей подложке (Козловский В.И. и др. Лазерные экраны из монокристаллических слитков CdS, CdS_xSe_1-x и ZnSe. Квантовая электроника, 1977, Т.4, С.351-354).

В этой же работе описан способ изготовления лазерного экрана электронно-лучевой трубки, включающий выращивание монокристаллического слитка полупроводникового соединения, вырезание из слитка пластины необходимой ориентации, полировку одной стороны этой пластины, напыление полупрозрачного зеркального покрытия на эту сторону, приклейку пластины на подложку, шлифовку и полировку второй стороны пластины и нанесение второго электропроводящего зеркального покрытия.

В этом способе используется органический клей и достаточно тонкая (менее 50 мкм) монокристаллическая полупроводниковая пластина.

Недостатком устройства и способа его изготовления является то, что такой лазерный экран не может работать достаточно эффективно длительное время при температурах, близких к комнатной температуре. Если толщину монокристаллической пластины делают значительно большей, чем характерная глубина проникновения электронов в лазерный экран, то из-за сильного поглощения излучения в невозбужденной области монокристаллической пластины эффективность лазерного экрана при работе при комнатной температуре мала. Если толщину монокристаллической пластины делают сравнимой с характерной глубиной проникновений электронов в лазерный экран, то эффективность лазерного экрана остается достаточно высокой даже при комнатной температуре. Однако срок службы такого экрана мал из-за наличия высоких термоупругих напряжений, приложенных к границе полупроводниковая пластина полупрозрачное зеркальное покрытие - клеевой слой, обладающей низкой механической прочностью. Низкая прочность определяется прежде всего невысокой адгезией зеркального покрытия к полупроводниковой пластине, значительно различающимися коэффициентами температурного расширения слоев зеркального покрытия и пластины, а также ухудшением свойств клеевого слоя под действием радиации.

Целью изобретения является увеличение срока службы лазерного экрана за счет повышения механической прочности и теплопроводности соединения полупроводниковая пластина подложка.

Другой целью изобретения является увеличение эффективности излучения при комнатной температуре лазерного экрана, излучающего в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Еще одной целью является создание лазерного экрана без клеевого слоя для отпаянных приборов, способного выдержать полную термовакуумную обработку, а следовательно, дальнейшее увеличение срока службы лазерного экрана и лазерной ЭЛТ в целом.

Остальные цели будут выявлены в процессе описания изобретения.

Цель достигается тем, что лазерный экран электронно-лучевой трубки содержит полупроводниковый слой с первым и вторым зеркальными покрытиями, закрепленный на хладопроводящей пластине со стороны первого зеркального покрытия, причем первое зеркальное покрытие имеет систему отверстий или прорезей, у которой характерный размер отверстия или ширина прорези и расстояние между отверстиями или прорезями находятся в пределах от 0,1 до 1000 мкм, а площадь отверстий или прорезей составляет не более половины площади первого покрытия.

В наиболее простом варианте для закрепления полупроводникового монокристаллического слоя с первым зеркальным покрытием на хладопроводящей пластине между ними размещен однородный скрепляющий элемент. Однако для дальнейшего увеличения срока службы и эффективности лазерного экрана за счет уменьшения упругих напряжений в полупроводниковом слое целесообразно, чтобы полупроводниковый слой был выполнен монокристаллическим, а скрепляющий элемент содержал пассивный слой со стороны полупроводникового слоя толщиной от 10 до 1000 мкм, выполненный из монокристаллического материала с кристаллической структурой и ориентацией, идентичными полупроводниковому слою, и образующий в отверстиях или прорезях первого зеркального покрытия гетеропереход с полупроводниковым слоем.

В другом варианте лазерного экрана, более простом в устройстве, но более трудном в исполнении, полупроводниковый слой закреплен на хладопроводящей пластине без скрепляющего слоя, полупроводниковый слой и хладопроводящая пластина выполнены из монокристаллических материалов с идентичной кристаллической структурой, имеют одинаковую ориентацию и в пределах площади отверстий или прорезей первого покрытия образуют гетерограницу.

Во всех вариантах для улучшения эффективности излучения лазерного экрана и расширения набора полупроводниковых соединений, которые могут быть использованы для его изготовления, а следовательно, для расширения спектрального диапазона излучения, полупроводниковый слой выполняется из квантоворазмерной гетероструктуры с напряженными элементами предпочтительно из соединений A₂B₆, или A₃B₅, или их твердых растворов, где А и В обозначают химические элементы, а индексы группу Периодической системы элементов.

Для достижения высокой однородности излучения лазерного экрана система отверстий или прорезей в первом зеркальном покрытии выполнена либо в виде периодической системы полос шириной от 1 до 50 мкм и периодом от 1 до 100 мкм, либо в виде двумерной матрицы отверстий диаметром от 1 до 70 мкм и периодом от 1 до 100 мкм.

Для реализации поставленной цели в способе изготовления лазерного экрана, при котором изготавливают хладопроводящую пластину, первое зеркальное покрытие и полупроводниковый слой с первой зеркальной поверхностью, пристыковывают полупроводниковый слой первой зеркальной поверхностью к хладопроводящей пластине, помещая между ними первое зеркальное покрытие, обрабатывают полупроводниковый слой до образования второй зеркальной поверхности и наносят на нее второе зеркальное покрытие, после или в процессе изготовления первого зеркального покрытия в нем создают систему отверстий или прорезей, причем характерный размер отверстий или ширина прорезей и расстояние между отверстиями или прорезями делают в пределах от 0,1 до 1000 мкм, а площадь отверстий или прорезей не более половины площади первого покрытия.

При этом способе существует два предпочтительных варианта закрепления полупроводникового слоя на хладопроводящей пластине, обеспечивающие уменьшение упругих напряжений в полупроводниковом слое и увеличивающие срок службы лазерного экрана. В первом варианте первое зеркальное покрытие с системой отверстий или прорезей наносят на первую зеркальную поверхность полупроводникового слоя, который изготавливают монокристаллическим, после чего на эту поверхность наращивают пассивный слой толщиной от 10 до 1000 мкм из монокристаллического материала с кристаллической структурой и ориентацией, идентичными полупроводниковому слою, а затем пристыковывают полупроводниковый слой к хладопроводящей пластине. При этом в ряде случаев для упрощения технологии изготовления полупроводникового слоя и уменьшения его стоимости целесообразно полупроводниковый слой изготавливать эпитаксиальным наращиванием на ростовую подложку, которую во время обработки второй поверхности полупроводникового слоя стравливают в избирательном травителе.

Во втором варианте хладопроводящую пластину изготавливают монокристаллической по меньшей мере с одной зеркальной поверхностью, на которую наносят первое зеркальное покрытие с системой отверстий или прорезей, а изготовление полупроводникового слоя и его пристыковку к хладопроводящей пластине осуществляют путем наращивания на поверхность хладопроводящей пластины с первым зеркальным покрытием полупроводникового слоя с кристаллической структурой и ориентацией, идентичной хладопроводящей пластине.

Для упрощения технологии изготовления лазерного экрана и уменьшения его стоимости первое зеркальное покрытие наносят вакуумным распылением с последующим вытравливанием отверстий или прорезей с помощью фотолитографического процесса, а наращивание полупроводникового слоя или пассивного слоя проводят химическим осаждением из паровой фазы металлов цинка и/или кадмия и халькогенов водорода в проточной ростовой системе с кварцевым реактором при температуре от 500 до 900^oС.

Для дальнейшего упрощения технологии изготовления лазерного экрана систему отверстий или прорезей создают в ростовой системе. Для этого полупроводниковый слой выполняют из соединений A₂B₆, на него наносят первое зеркальное покрытие вакуумным распылением окислов кремния и титана, далее помещают их в ростовую систему для наращивания пассивного слоя и до начала процесса наращивания нагревают до температуры от 700 до 1000^oС до образования системы микротрещин в первом зеркальном покрытии. То же самое делают, если первое зеркальное покрытие наносят на хладопроводящую пластину, а затем на нее наращивают полупроводниковый слой.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы использовать в качестве первого зеркального покрытия лазерного экрана не сплошное покрытие, а покрытие с системой отверстий или прорезей, размеры которых выбраны таким образом, чтобы, не ухудшая однородность излучения лазерного экрана, существенно улучшить прочность соединения полупроводниковой пластины с хладопроводящей подложкой за счет более прочной связи через эти отверстия или прорези, тем самым увеличить срок службы и эффективность излучения лазерного экрана. Кроме того, применение зеpкального покрытия с системой отверстий или прорезей позволяет использовать при изготовлении лазерного экрана современные методы эпитаксиального роста, что должно привести к улучшению качества полупроводникового слоя и всех основных параметров лазерного экрана в целом.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми цифрами.

На фиг.1 представлена электронно-лучевая трубка с лазерным экраном.

На фиг. 2 представлен один из вариантов выполнения лазерного экрана согласно изобретению (а); тот же вариант выполнения лазерного экрана при другом положении электронного пучка относительно отверстий в первом зеркальном покрытии (б).

На фиг. 3 представлен один из вариантов выполнения первого зеркального покрытия согласно изобретению.

На фиг.4 представлен другой вариант выполнения первого зеркального покрытия согласно изобретению.

На фиг.5 представлен другой вариант выполнения лазерного экрана согласно изобретению.

На фиг. 6 представлен еще один вариант выполнения лазерного экрана согласно изобретению.

Как видно из фиг.1 электронно-лучевая трубка с лазерным экраном содержит источник электронов 1 в виде триодной электронной пушки, средство для управления электронным пучком 2, включающее электростатический модулятор 3, фокусирующую систему 4 и отклоняющую систему 5, и лазерный экран 6, состоящий из полупроводникового слоя 7, являющегося активной средой лазера, первого зеркального покрытия 8 и второго зеркального покрытия 9, образующих оптический резонатор, и хладопроводящей пластины 10. ЭЛТ с лазерным экраном может быть выполнена в виде отпаянной трубки, а отдельные ее элементы помещены либо в вакуумный объем, либо вне его, как это показано на фиг.1 относительно отклоняющей и фокусирующей систем. Но ЭЛТ с лазерным экраном может быть выполнена и в виде разборной системы, аналогично электронному микроскопу. Конкретное исполнение ЭЛТ и ее элементов 1-5 не является предметом изобретения. Изобретение касается лазерного экрана 6, конструкция которого однако в деталях зависит от энергии электронов падающего на лазерный экран электронного пучка 11, а также от способа вывода излучения 12 из лазерного экрана 6. Излучение может быть выведено через подложку 10 ("трубка на просвет"), и в этом случае хладопроводящая пластина 10 должна быть прозрачной, или в сторону, с которой происходит облучение электронным пучком ("трубка на отражение"). В последнем случае хладопроводящая пластина не обязательно должна быть прозрачной, однако вывод излучения из вакуумированного объема значительно затруднен.

В первом варианте исполнения лазерного экрана, представленном на фиг.2 (а и б) полупроводниковый слой 7 с первым зеркальным покрытием 8 (фиг.2а) или 16 (фиг.2б) и вторым зеркальным покрытием 9 закреплен на хладопроводящей прозрачной пластине 10 (лазерный экран для "трубки на просвет") с помощью однородного скрепляющего элемента 13. В отличие от известных решений первое зеркальное покрытие 8 (16) имеет систему отверстий или прорезей 14, в пределах которых скрепляющий элемент имеет непосредственный контакт с полупроводниковым слоем 7. Различие между фиг.2а и 2б состоит в различных положениях электронного пучка 11 на зеркальном покрытии 9 относительно отверстий или прорезей 14, а также в том, что зеркало 16 глухое и имеет больше отверстий 14.

Лазерный экран работает следующим образом. Источник электронов 1 (фиг.1) формирует слабо расходящийся пучок электронов 11, который модулируется по току электростатическим модулятором 3, фокусируется фокусирующей системой 4 и отклоняется в заданную точку лазерного экрана 6 отклоняющей системой 5. Проникая через второе зеркальное покрытие 9 (фиг.2а и фиг.2б), электронный пучок 11 генерирует неравновесные электронно-дырочные пары в полупроводниковом слое 7, создавая возбужденную область 15. При этом в возбуждаемой области 15 полупроводникового слоя 7 возникают катодолюминесценция и оптическое усиление, и при наличии оптического резонатора, образованного зеркальным покрытием 8 (16) и 9, возникает генерация лазерного луча 12, выходящего из лазерного экрана через хладопроводящую пластину 10. Энергия электронного пучка 11, не превратившаяся в излучение (более 70% всей первоначальной энергии), идет на разогрев полупроводникового слоя 7. Выделяемое тепло отводится из полупроводникового слоя 7 через первое зеркальное покрытие 8 и скрепляющий элемент 13 в хладопроводящую пластину 10, а далее к системе охлаждения лазерного экрана ЭЛТ (на фиг.1 не показана). В пределах отверстий или прорезей 14 первого зеркального покрытия 8 выделяемое в полупроводниковом слое 7 тепло переходит в хладопроводящую пластину 10, минуя покрытие 8, что уменьшает тепловое сопротивление лазерного экрана и увеличивает его эффективность излучения.

Однако при использовании электронных пучков с высокой мощностью и плотностью тока тепло не успевает эффективно отводиться из возбужденной области полупроводникового слоя и приводит к повышению ее температуры относительно окружающих участков полупроводникового слоя и других элементов лазерного экрана. В результате возникают термоупругие напряжения, которые, в частности, прикладываются и к границе полупроводниковый слой первое зеркальное покрытие склеивающий элемент. Эти напряжения могут быть существенными из-за большого теплового сопротивления скрепляющего элемента и не достаточно хорошего контакта первого зеркального покрытия с полупроводниковым слоем. С другой стороны, механическая прочность лазерного экрана на границе зеркальное покрытие полупроводниковый слой не достаточно велика, что обусловлено невысокой адгезией покрытия к полупроводнику. Поэтому в известных решениях эти термоупругие напряжения приводили со временем к разрушению соединения полупроводникового слоя с хладопроводящей пластиной. В предлагаемом решении прочность соединения существенно повышена, во-первых, потому что в отверстиях или прорезях первого зеркального покрытия скрепляющий элемент контактирует непосредственно с полупроводниковым слоем и имеет более высокую к нему адгезию, чем покрытие, а во-вторых, прочность скрепляющего элемента относительно сдвиговых нагрузок существенно повышена из-за того, что его поверхность со стороны полупроводникового слоя не является зеркальной и имеет выступы, соответствующие отверстиям или прорезям первого зеркального покрытия.

В случае лазерного экрана для "трубки на просвет" первое зеркальное покрытие должно быть принципиально полупрозрачным, с минимальным поглощением. Металлические пленки для этих целей были не пригодны, поскольку необходимый коэффициент пропускания достигался лишь при неприемлемо больших коэффициентах поглощения в них. В предлагаемом решении в качестве первого зеркального покрытия могут быть использованы как интерференционные покрытия, причем локально они могут быть не только полупрозрачными, но и абсолютно глухими, так и локально глухие металлические покрытия, а выход генерируемого излучения в этих случаях осуществляется через отверстия или прорези первого зеркального покрытия. В связи с этим возможны два варианта организации выхода излучения из лазерного экрана, представленные на фиг.2 (а и б).

На фиг.2а работа лазерного экрана организована таким образом, что электронный пучок, а следовательно, и возбужденная область 15, никогда не попадают на отверстия или прорези 14 первого зеркального покрытия 8, сделанного в этом случае локально полупрозрачным. В этом случае отверстия или прорези 14 никак не влияют на генерируемое излучение 12, которое выходит собственно через первое зеркальное покрытие 8. Например, это может быть реализовано при работе лазерного экрана в растровом режиме развертки электронного пучка с диаметром электронного пятна на экране, заметно меньшим расстояния между строками, у которого (лазерного экрана) в первом зеркальном покрытии 8 сделаны параллельные прорези в середине между строками развертки электронного пучка. Этому примеру соответствует система прорезей, представленная на фиг. 3. В данном варианте первое зеркальное покрытие 8 состоит из периодического набора полосок разделенных прорезями 17. Проекция электронного пятна 18 сканирует вдоль стрелки по пунктирным линиям 19. Если диаметр проекции электронного пятна 18 на лазерном экране будет d_э, а расстояние между строками Н, то ширина прорезей должна быть не более h=H-d_э, чтобы они не влияли на режим генерации лазерного луча.

На фиг.2б работа лазерного экрана организована таким образом, что электронный пучок 11, а следовательно, и возбужденная область 15 всегда находятся по меньшей мере над одним из отверстий или прорезей 14 первого зеркального покрытия 16, которое может быть изготовлено не только полупроводниковым, но и локально абсолютно глухим. Если оно сделано локально глухим, как на фиг. 2б, то излучение выходит по меньшей мере через одно отверстие или прорезь 14, находящееся под возбужденной областью 15. В этом случае отверстия влияют на сам процесс установления генерации, они не должны вносить большие потери и ухудшать расходимость излучения 12.

Один из вариантов системы отверстий первого зеркального покрытия, соответствующий случаю фиг.2б, представлен на фиг.4. Эта система представляет двумерную матрицу отверстий 20, имеющих диаметр d_o и период в двух взаимно перпендикулярных направлениях S. Диаметр d_э проекции электронного пятна 18 охватывает по меньшей мере одно отверстие 20.

Характерный размер отверстий или ширина прорезей и расстояние между отверстиями или прорезями может изменяться в широком диапазоне значений от 0,1 мкм до 1000 мкм. Нижний предел определяется реальной толщиной первого зеркального покрытия: 1 мкм для диэлектрического покрытия и 0,1 мкм для металлического. Сложность изготовления отверстий, размеры которых меньше толщины покрытия, существенно возрастает. Верхний предел определяется тем, что обычный размер лазерных экранов составляет от 1 до 8 см в диаметре. Поэтому если характерный размер отверстия или прорези будет превышать 1 мм, то будет существенно уменьшаться эффективность использования полезной площади лазерного экрана, поскольку внутри такого большого отверстия или прорези генерация лазерного луча не может быть достигнута. Если же расстояние между отверстиями или прорезями будет существенно превышать 1 мм, то из-за малого общего числа отверстий или прорезей увеличение механической прочности скрепления полупроводникового слоя с хладопроводящей пластиной будет не значительно.

Что касается ограничения на площадь отверстий или прорезей, то в случае, соответствующем фиг. 2а, оно определяется эффективностью использования полезной площади лазерного экрана, а в случае, соответствующем фиг.2б, требованием на прозрачность первого зеркального покрытия, которая не должна превышать 0,5.

Дополнительные ограничения на систему отверстий или прорезей первого зеркального покрытия, используемую для вывода оптического излучения, установлены из следующих соображений. Если диаметр отверстия или ширина прорези будет меньше 1 мкм, то угол расходимости излучения α (равный примерно , где λ длина волны излучения, а d_o диаметр отверстия или ширина прорези) будет слишком большим (α>30° для зеленого излучения), что приводит к ухудшению светотехнических характеристик или удорожанию проекционных систем, в которых используются такие лазерные экраны. С другой стороны площадь отверстия не должна превышать половины площади электронного пятна на лазерном экране, чтобы порог генерации был достаточно низок. Поскольку в ЭЛТ с лазерным экраном диаметр электронного пучка обычно не превышает 100 мкм, то диаметр отверстий не должен превышать примерно 70 мкм, а ширина прорезей 50 мкм. При этом расстояние между отверстиями или прорезями не должно превышать диаметра электронного пучка, то есть 100 мкм, в противном случае однородность излучения лазерного экрана будет ухудшаться. Если же расстояние между отверстиями или прорезями достаточно мало, то в пределах одного электронного пятна может укладываться несколько отверстий или прорезей. Тогда требование на макроскопическую прозрачность первого зеркального покрытия Т <0,5 и ограничение снизу на размер отверстия или прорези 1 мкм приводит к нижнему ограничению расстояния между отверстиями или прорезями примерно в 1 мкм.

В вариантах лазерного экрана, представленных на фиг.2 (а и б), однородный скрепляющий элемент может быть выполнен из органического клея, например эпоксидного клея типа ОК-72ФТ, или стекла, близкого по коэффициентам температурного расширения к хладопроводящей пластине и полупроводниковому слою, например С-52. Если скрепляющий элемент выполнять из эпоксидного клея, как это делается в базовом объекте, то он деградирует над воздействием электронного пучка, что приводит к уменьшению срока службы лазерных экранов. Особенно это заметно в лазерных экранах с толщиной полупроводникового слоя 10-20 мкм, не намного превышающей характерную глубину возбуждения электронным пучком, которые показывают максимальную эффективность излучения особенно при комнатной температуре. В этих лазерных экранах электронный пучок частично проникает в клеевой скрепляющий элемент и разрушает химические связи между органическими молекулами, приводя к его деградации. Лазерные экраны со скрепляющим элементом в виде стеклянной прослойки в настоящее время находятся в стадии разработки. Здесь существуют серьезные трудности, связанные с подбором стекла с заданным коэффициентом температурного расширения и достаточно низкой температурой размягчения.

В другом варианте лазерного экрана, представленном на фиг.5, скрепляющий элемент 13 состоит из двух слоев: из пассивного слоя 21, примыкающего к полупроводниковому слою 7 с первым зеркальным покрытием 16 с системой отверстий или прорезей 20, и из собственно скрепляющего слоя 22, примыкающего к сапфировой подложке 10.

Введением пассивного слоя толщиной 10-1000 мкм, выполненного из стойкого к облучению электронным пучком материала, достигается отделение собственно скрепляющего слоя (например, из органического клея) от области возбуждения лазерного экрана электронным пучком. Пассивный слой может быть выполнен из того же стекла с подобранным коэффициентом температурного расширения, однако предпочтительно его делать из материала, близкого по составу и структуре к полупроводниковому слою. Если первое зеркальное покрытие выполняется сплошным и оно состоит из аморфных слоев, то сделать это практически невозможно. Действительно, полупроводниковый слой обычно делается монокристаллическим с определенной кристаллографической ориентацией. Если наращивать пассивный слой на полупроводниковый слой с аморфным сплошным покрытием, то образуется в лучшем случае поликристаллический слой. В этом случае пассивный слой обычно имеет отличный от полупроводникового слоя коэффициент температурного расширения и вносит значительное рассеяние генерируемого излучения. Можно изготовить пассивный слой отдельно от полупроводникового слоя, а затем попытаться посадить его на глубокий оптический контакт с полупроводниковым слоем. Однако для этого требуются массивные подложки как для полупроводникового слоя, так и для пассивного слоя и проведение химико-механической полировки обоих слоев с высокой степенью плоскостности скрепляемых поверхностей, что усложняет технологию изготовления. Кроме того, из-за наличия между двумя кристаллическими слоями сплошного аморфного слоя это соединение не выдерживает значительных температурных изменений.

При наличии отверстий с достаточной плотностью в первом зеркальном покрытии удается нарастить монокристаллический пассивный слой, унаследующий ориентацию кристаллической решетки полупроводникового слоя. Для этого необходимо создать благоприятные условия для тангенциального послойного роста. Такие условия достигаются в большинстве методик низкотемпературного эпитаксиального выращивания пленок. Для этих целей могут быть использованы такие известные методики как молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ), атомно-слоевая эпитаксия (ALE), эпитаксия с помощью химического осаждения металлоорганических (элементоорганических) соединений из паровой фазы (MOCVD или OMVPE), эпитаксия в реакторе с горячими стенками (HWE) и другие. В частности, такое наращивание может быть осуществлено с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD) одной из наиболее простых технологий эпитаксиального роста. С помощью CVD-метода удается получить сплошную монокристаллическую пленку на полупроводниковом слое с несплошным аморфным зеркальным покрытием в случае, если расстояние между отверстиями или прорезями составляет менее 10-20 мкм. При больших расстояниях между отверстиями в наращиваемой пленке образуются поликристаллические островки, ухудшающие однородность излучения лазерного экрана.

Полупроводниковый и пассивный слои предпочтительно выполняются из соединений A₂B₆, или A₃B₅, или их твердых растворов. Кроме того, для получения лазерного эффекта полупроводниковый слой выполняется из прямозонного соединения, а для уменьшения потерь интенсивности генерируемого излучения пассивный слой выполняется прозрачным для этого излучения. Толщина полупроводникового слоя составляет от 1 до 100 мкм в зависимости от рабочей температуры лазерного экрана T_o и энергии электронов E_э в электронном пучке. При E_э= 30-70 кэВ и Т_o= 300 К предпочтительная толщина полупроводникового слоя, обеспечивающая высокую эффективность излучения лазерного экрана, должна быть порядка глубины возбуждения электронным пучком Z_э, составляющей величину 2,5-10 мкм. В этом случае для эффективной защиты скрепляющего слоя 22, который может быть выполнен из органического (эпоксидного) клея, толщина пассивного слоя должна быть не меньше максимальной длины пробега R_o первичного электрона возбуждения, равной R_o=(4-5)·Z_э. Следовательно, она должна быть от 10 до 50 мкм в зависимости от E_o. С другой стороны, толщину пассивного слоя не имеет смысла делать больше 1 мм, что приводит к неоправданному удорожанию лазерного экрана.

Предпочтительно также полупроводниковый и пассивный слои выполнять из материалов, имеющих идентичные кристаллические решетки с близкими параметрами. В этом случае при наращивании пассивного слоя вблизи гетерограницы не образуются структурные дефекты, ухудшающие излучательные свойства полупроводникового слоя и лазерного экрана в целом. Кроме того, термоупругие напряжения, возникающие в лазерном экране из-за неполного соответствия коэффициентов температурного расширения хладопроводящей пластины и полупроводникового слоя и изменения температуры лазерного экрана от температуры его изготовления до рабочей температуры, сосредоточены вдали от полупроводникового слоя. Пассивный слой в этом случае играет дополнительную роль буферного слоя.

Для удовлетворения выше перечисленных требований к материалам полупроводникового и пассивного слоев целесообразно в качестве этих материалов выбирать твердые растворы с близкими составами. В качестве примера такого твердого раствора рассмотрим соединение CdS_1-xSe_x, являющееся твердым раствором бинарных соединений CdS и CdSe, имеющих идентичные кристаллические решетки. С увеличением параметра состава x (0 ≅ x ≅ 1) ширина запрещенной зоны кристаллов этих соединений уменьшается. Поэтому в лазерных экранах для "трубок на просвет" полупроводниковый слой следует изготавливать с составом, отвечающим большему значению х, чем у пассивного слоя, чтобы генерируемое излучение с энергией фотона, близкой к ширине запрещенной зоны E_g полупроводникового слоя, соответствовало бы области прозрачности пассивного слоя, у которого коротковолновый край прозрачности также определяется своим E_g. Обычно изменение х на 0,1 вполне достаточно, чтобы пассивный слой был полностью прозрачным для генерируемого излучения. С другой стороны, изменение х менее чем на 0,1 приводит к изменению параметров решетки не более чем на 0,5% В большинстве случаев это рассогласование вполне допустимо для получения приемлемых параметров лазерного экрана. Отметим, что чем тоньше пассивный слой, тем меньше может быть изменение х, и тем более совершенным будет гетерограница между полупроводниковым и пассивным слоями в отверстиях первого зеркального покрытия. В частности, при толщинах менее 10-20 мкм пассивный слой можно изготавливать из того же материала, что и полупроводниковый слой. Пассивный и полупроводниковый слои также целесообразно изготавливать из одинакового материала и в лазерных экранах для "трубок на отражение".

На фиг. 6 представлен еще один вариант исполнения лазерного экрана. В этом варианте отсутствует скрепляющий элемент, а хладопроводящая пластина 23 выполнена из кристаллического материала, близкого к материалу полупроводникового слоя 24, с которым в отверстиях 20 первого зеркального покрытия 16 она образует совершенные гетерограницы. Более простой вариант выполнения, когда поверхность хладопроводящей пластины 23, обращенная к первому зеркальному покрытию, является плоской, а поверхность полупроводникового слоя, обращенная к пластине, выполнена рифленой в соответствии с рисунком на первом зеркальном покрытии (фиг.6). Однако это не обязательно, и гетерограница между пластиной и полупроводниковым слоем может находиться в любом месте в пределах толщины первого зеркального покрытия и даже вне его.

Хладопроводящая пластина, выполняющая помимо функции хладопровода еще и функции опорной пластины с необходимой механической прочностью, имеет толщину в пределах от 1 до 20 мм. В лазерных экранах для "трубок на просвет" прозрачность хладопроводящей пластины может быть достигнута лишь при значительных изменениях состава пластины и полупроводникового слоя. В случае CdS_1-xSe_x изменение х должно быть уже не менее 0,1. При значительном рассогласовании параметров решетки хладопроводящей пластины и полупроводникового слоя вблизи их гетерограницы (в отверстиях первого зеркального покрытия) могут образовываться структурные дефекты уже с достаточно большой плотностью, которые будут ухудшать порог и эффективность лазерной генерации. В этом случае особенно, хотя и в остальных вариантах лазерного экрана тоже, целесообразно полупроводниковый слой выполнять в виде гетероструктуры с напряженными слоями (в общем случае с элементами), что позволяет, с одной стороны, точно согласовать период кристаллической решетки гетероструктуры вдоль поверхности лазерного экрана с периодом кристаллической решетки хладопроводящей пластины (или пассивного слоя в другом варианте), а с другой стороны, путем создания квантовых ям и барьерных слоев реализовать лазерную генерацию на длине волны в области прозрачности пластины (или пассивного слоя) и невозбужденной области гетероструктуры.

Как уже отмечалось выше, основное отличие способа изготовления лазерного экрана согласно изобретению от способов изготовления лазерных экранов известных конструкций заключается во введении новой операции изготовления системы отверстий или прорезей в первом зеркальном покрытии. Однако введение этой операции позволяет также разнообразить порядок осуществления известных ранее операций и применить новые современные технологии роста.

Изготовление системы отверстий или прорезей в первом зеркальном покрытии может проводиться различными способами. Например, их можно изготовить в процессе изготовления первого зеркального покрытия известным методом вакуумного распыления через маску, размещенную непосредственно на поверхности напыляемой подложки. В качестве подложки может быть либо полупроводниковый слой, либо хладопроводящая пластина в зависимости от выбора варианта лазерного экрана. Однако достаточно мелкий рисунок (с деталями меньше 10 мкм) на большой площади (до 25 см² и больше) нанести таким способом проблематично. Гораздо проще сначала изготовить однородное сплошное первое зеркальное покрытие, а уже затем изготовить в нем систему отверстий.

Здесь также может быть несколько вариантов. Например, систему отверстий или прорезей можно изготовить путем механического скрайбирования или путем выжигания электронным или лазерным пучком. Однако предпочтительно делать это с помощью хорошо отработанного фотолитографического процесса. Для этого сначала изготавливают фотошаблон на плоскопараллельной прозрачной подложке необходимой площади. Далее на сплошное первое зеркальное покрытие наносят фоторезистивный слой (например, из ФП-383), который затем через вплотную приложенный фотошаблон облучают ультрафиолетовым излучением, например, ртутной лампы. Далее в фоторезистивном слое вытравливают облученные участки, закрепляют его, а затем через образовавшиеся отверстия или прорези в фоторезистивном слое вытравливают необходимые отверстия или прорези в первом зеркальном покрытии. При этом используют селективный травитель подобранный под материал первого зеркального покрытия. Например, если зеркальное покрытие состоит из чередующихся слоев SiO₂ и ZrO₂, то можно использовать травитель, основанный на смеси NH₄F, HF и H₂O. Для получения более резких границ отверстий или прорезей в первом зеркальном покрытии вместо химического травления может быть использовано травление ионным пучком или лазерное испарение.

Неупорядоченная система отверстий или прорезей, а точнее система трещин, может быть образована путем нагрева подложки (полупроводникового слоя или хладопроводящей пластины) с первым зеркальным покрытием в вакууме до температуры от 70 до 1000^oС. Трещины образуются из-за различия коэффициентов температурного расширения подложки и покрытия. Нижний предел указанного температурного диапазона примерно соответствует температуре образования трещин, если подложка выполнена из соединений A₂B₆ или A₃B₅ или их твердых растворов, а первое зеркальное покрытие из пар окислов типа SiO₂ TiO₂ или SiO₂ ZrO₂. С увеличением температуры число трещин и их плотность увеличиваются. Верхний предел соответствует температуре, когда начинается заметное испарение подложки через образовавшиеся трещины. Для наиболее легко летучих соединений A₂B₆ это испарение может начинаться при более низких температурах. В этом случае целесообразно над подложкой с покрытием создать избыточное давление одного из компонентов этого летучего соединения. Однако образовавшиеся трещины схлопываются при последующем охлаждении подложки с зеркальным покрытием. Поэтому для того, чтобы трещины остались в лазерном экране и сыграли свою положительную роль, наращивание пассивного слоя (или полупроводникового слоя в другом варианте выполнения лазерного экрана) необходимо проводить также при достаточно высокой температуре. Целесообразно это делать в той же вакуумной камере, где проводился нагрев подложки с покрытием для образования трещин.

Как уже отмечалось выше, наиболее простым способом эпитаксиального наращивания пассивного слоя или полупроводникового слоя является CVD-технология. В простейшем варианте рост CVD-методом осуществляется в кварцевом проточном реакторе, помещенном в электропечь, в котором ростовая подложка помещается на специальном держателе, выполненном из кварца или стеклоуглерода. В реактор подаются пары металла и соединения неметалла с водородом, разбавленные инертным газом, например аргоном. Исходными веществами являются металл в твердом состоянии, помещенный в нагреваемую лодочку в потоке инертного газа, и соединения неметалла с водородом (например, сероводорода или селеноводорода для соединений A₂B₆) в жидком состоянии в отдельном баллоне. Температура роста и газовые потоки зависят от выращиваемого соединения A₂B₆ или A₃B₅ или их твердых растворов. Наиболее важный параметр, температура роста, изменяется в пределах от 500 до 900^oС. При T_р <500С затруднен рост монокристаллической пленки и практически для всех перечисленных соединений образуются поликристаллические пленки. С повышением T_р увеличивается степень загрязнения выращиваемой пленки неконтролируемой примесью и увеличивается плотность собственных точечных дефектов, что в конечном итоге приводит к увеличению порога генерации и снижению эффективности излучения лазерного экрана. Кроме того, чем выше T_р, тем больше термоупругие напряжения возникают в лазерном экране после его охлаждения до рабочих температур, что также ухудшает характеристики лазерного экрана, особенно его срок службы. Увеличение T_р выше 900^oС с этой точки зрения не оправдано.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Изготавливают из лейкосапфира хладопроводящую пластину диск толщиной 5 мм и диаметром 60 мм с полированными поверхностями и ориентацией (0001). Из монокристаллического слитка GaAs вырезают шайбу диаметром 50 мм, толщиной 1,5 мм с ориентацией (III). Одну из сторон шайбы шлифуют и полируют химико-механическим способом. На эту сторону напыляют при температуре 250^oС интерференционное первое зеркальное покрытие, состоящее из 8 четвертьволновых чередующихся слоев SiO₂ и ZrO₂. В этом покрытии с помощью фотолитографического процесса вытравливают параллельные полоски шириной 50 мкм, длиной 40 мм и с расстоянием между центрами полосок 100 мкм. Шайбу GaAs с первым зеркальным покрытием с прорезями приклеивают со стороны покрытия к одной из поверхностей хладопроводящего диска эпоксидным клеем ОК-72ФТ. Вторую поверхность GaAs-шайбы шлифуют и полируют химико-механическим способом до толщины 20 мкм, образуя полупроводниковый слой. И наконец наносят на эту поверхность серебряное покрытие толщиной 0,08 мкм с помощью вакуумного распыления.

Лазерный экран испытывается в режиме растровой развертки возбуждающего электронного пучка в соответствии с первым телевизионным стандартом развертки. При этом электронный пучок сканирует вдоль строк, проходящих по центру между вытравленными полосками в первом зеркальном покрытии. Параметры электронного пучка: энергия электронов 50 кэВ, ток пучка 1 мА, диаметр электронного пятна на лазерном экране 20 мкм.

При комнатной температуре лазерный экран излучает однородно на длине волны 880 нм с эффективностью преобразования энергии электронного пучка в свет не менее 0,05, что не хуже, чем у известных лазерных экранов. Однако срок службы этого экрана в телевизионном режиме не менее чем в 1,5 раза больше, чем у известных устройств.

Пример 2. Изготавливают лазерный экран по примеру 1, но шайбу вырезают из слитка CdS с ориентацией (0001), в первом зеркальном покрытии вытравливают двумерную матрицу отверстий диаметром 3 мкм и периодом 10 мкм в обоих направлениях этой матрицы, а перед склеиванием CdS-шайбы с хладопроводящей лейкосапфировой пластиной-диском на первое зеркальное покрытие с отверстиями наращивают монокристаллический слой толщиной 35 мкм из CdS методом CVD при температуре 700^oС и соотношении мольных расходов паров кадмия, сероводорода и нейтрального газа аргона 1,2 1 300 соответственно и нарощенный слой сполировывают до толщины 30 мкм, образуя пассивный слой.

Лазерный экран испытывается также в режиме растровой развертки, но без ориентации строк относительно структуры первого зеркального покрытия и при энергии электронов 75 кэВ.

При комнатной температуре этот лазерный экран излучает однородно на длине волны 520 нм с эффективностью не хуже 0,07 и полным углом расходимости 20 град и имеет срок службы не менее 1000 ч, что более чем на порядок величины больше, чем у известных лазерных экранов с той же эффективностью.

Пример 3. Из монокристаллического слитка CdS изготавливают хладопроводящую подложку в виде диска диаметром 60 мм, толщиной 5 мм ориентацией (0001), с двумя зеркальными поверхностями, одна из которых отполирована химико-механическим способом для удаления нарушенного слоя. На эту поверхность наносят вакуумным распылением первое зеркальное покрытие из 10 чередующихся четвертьволновых слоев SiO₂ и ZrO₂. В этом покрытии вытравливают систему отверстий, как в примере 2. Затем на него наращивают монокристаллический полупроводниковый слой CdS_0,9Se_0,1 толщиной 25 мкм CVD-методом при T_р= 750^oС и соотношении мольных расходов паров кадмия, сероводорода, селеноводорода и аргона 1,2 0,9 0,1 300 соответственно. Нарощенный слой сполировывают до толщины 20 мкм и напыляют серебряный слой толщиной 0,08 мкм.

Этот лазерный экран может работать в отпаянной стеклянной электронно-лучевой трубке, прошедшей полную термовакуумную обработку. Срок службы такого экрана в несколько раз превышает срок службы лазерных экранов известных конструкций.

Представленные примеры не охватывают полностью все многообразие используемых материалов, конструкции и технологических приемов, защищаемых формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Лазерный экран электронно-лучевой трубки, содержащий полупроводниковый слой с первым и вторым зеркальными покрытиями, закрепленный на хладопроводящей пластине со стороны первого зеркального покрытия, отличающийся тем, что первое зеркальное покрытие имеет систему отверстий или прорезей, причем характерный размер отверстий или ширина прорезей и расстояние между отверстиями или прорезями находятся в пределах 0,1 1000,0 мкм, а площадь отверстий или прорезей составляет не более половины площади первого покрытия.

2. Экран по п.1, отличающийся тем, что для закрепления полупроводникового монокристаллического слоя с первым зеркальным покрытием на хладопроводящей пластине между ними размещен скрепляющий элемент.

3. Экран по п.2, отличающийся тем, что полупроводниковый слой выполнен монокристаллическим, скрепляющий элемент содержит пассивный слой со стороны полупроводникового слоя, толщиной 10 1000 мкм, выполненный из монокристаллического материала с кристаллической структурой и ориентацией, идентичными полупроводниковому слою, и образующий в отверстиях или прорезях первого зеркального покрытия гетерограницу с полупроводниковым слоем.

4. Экран по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый слой закреплен непосредственно на хладопроводящей пластине, полупроводниковый слой и хладопроводящая пластина выполнены из монокристаллических материалов с идентичной кристаллической структурой, имеют одинаковую ориентацию и в пределах площади отверстий или прорезей первого покрытия образуют гетерограницу.

5. Экран по пп.1 4, отличающийся тем, что по меньшей мере полупроводниковый слой выполнен в виде квантоворазмерной гетероструктуры с напряженными элементами.

6. Экран по пп.1 5, отличающийся тем, что по меньшей мере полупроводниковый слой выполнен из соединений А₂В₆, или А₃В₅, или их твердых растворов.

7. Экран по пп.1 6, отличающийся тем, что первое покрытие имеет двумерную матрицу отверстий диаметром 1 70 мкм и периодом 1 100 мкм.

8. Экран по пп.1 6, отличающийся тем, что первое покрытие выполнено в виде периодической системы полос шириной 1 50 мкм и периодом 1 100 мкм.

9. Способ изготовления лазерного экрана электронно-лучевой трубки, при котором изготавливают хладопроводящую пластину, первое зеркальное покрытие и полупроводниковый слой с первой зеркальной поверхностью, пристыковывают полупроводниковый слой первой зеркальной поверхностью к хладопроводящей пластине, помещают между ними первое зеркальное покрытие, обрабатывают полупроводниковый слой до образования второй зеркальной поверхности и наносят на нее второе зеркальное покрытие, отличающийся тем, что после или в процессе изготовления первого зеркального покрытия в нем создают систему отверстий или прорезей, причем характерный размер отверстий или ширина прорезей и расстояние между отверстиями или прорезями делают в пределах 0,1 1000,0 мкм, а площадь отверстий или прорезей не более половины площади первого покрытия.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что первое зеркальное покрытие с системой отверстий или прорезей наносят на первую зеркальную поверхность полупроводникового слоя, который изготавливают монокристаллическим, после чего на эту поверхность наращивают пассивный слой толщиной 10 1000 мкм из монокристаллического материала с кристаллической структурой и ориентацией, идентичными полупроводниковому слою, а затем пристыковывают полупроводниковый слой к хладопроводящей пластине.

11. Способ по пп.1 и 10, отличающийся тем, что полупроводниковый слой изготавливают эпитаксиальным наращиванием на ростовую подложку, которую во время обработки второй поверхности полупроводникового слоя стравливают в избирательном травителе.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что хладопроводящую пластину изготавливают монокристаллической с по меньшей мере одной зеркальной поверхностью, на которую наносят первое зеркальное покрытие с системой отверстий или прорезей, а изготовление полупроводникового слоя и его пристыковку к хладопроводящей пластине осуществляют путем наращивания на поверхность хладопроводящей пластины с первым зеркальным покрытием полупроводникового слоя с кристаллической структурой и ориентацией, идентичными хладопроводящей пластине.

13. Способ по пп.1 12, отличающийся тем, что по меньшей мере полупроводниковый слой изготавливают в виде квантоворазмерной гетероструктуры с напряженными элементами из соединений А₂В₆, или А₃В₅, или их твердых растворов.

14. Способ по пп.10 и 12, отличающийся тем, что наращивание полупроводникового или пассивного слоя проводят химическим осаждением из паровой фазы металлов цинка и/или кадмия и халькогенов водорода в проточной ростовой системе с кварцевым реактором при 500 900^oС.

15. Способ по пп.9 14, отличающийся тем, что первое зеркальное покрытие наносят вакуумным распылением, а затем в нем вытравливают систему отверстий или прорезей с помощью фотолитографического процесса.

16. Способ по пп.10 и 11, отличающийся тем, что полупроводниковый слой выполняют из соединений А₂В₆, на него наносят первое зеркальное покрытие вакуумным распылением окислов кремния и титана, далее помещают их в ростовую систему для наращивания пассивного слоя и до начала процесса наращивания нагревают до 700 1000^oС до образования системы микротрещин в первом зеркальном покрытии.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что хладопроводящую пластину выполняют из соединений А₂В₆, на него наносят первое зеркальное покрытие вакуумным распылением окислов кремния и титана, далее помещают их в ростовую систему для наращивания полупроводникового слоя и до начала процесса наращивания нагревают до 700 1000^oС до образования системы микротрещин в первом зеркальном покрытии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6