Двумерный координатно-чувствительный приемник оптического излучения

Авторы патента:

H01L31/09 - приборы, чувствительные к инфракрасному, видимому или ультрафиолетовому излучению (H01L 31/101 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2361323:

ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина" (RU)

Изобретение может быть использовано для регистрации параметров оптического излучения. Двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения включает стеклянную подложку, фоточувствительную АФН-пленку (аномального фотонапряжения) из полупроводникового материала и металлические контакты. Этот приемник оптического излучения получен из полупроводниковых соединений в виде двумерной - по координатам Х и Y ступенчатообразной АФН-пленки с постепенным увеличением толщины ступенек по оси Х и с продолжением увеличения на каждой следующей ступеньке по оси Y или наоборот. Двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения согласно изобретению обладает повышенной чувствительностью. 2 ил.

Изобретение относится к приемникам оптического излучения, а именно для применения в оптоэлектронных и робототехнических устройствах для регистрации параметров оптического излучения.

Известен 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 [1].

Недостатком этого датчика является сложность оптической системы, низкая чувствительность и обязательное применение электропитания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому приемнику является координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения, состоящий из стеклянной подложки, фоточувствительной АФН-пленки (аномального фотонапряжения) из полупроводникового материала и металлических контактов. При этом координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения получен из полупроводниковых соединений в виде ступенчатообразной АФН-пленки с постепенным увеличением толщины ступенек, начиная с ≈1 мкм [2].

Недостатком известного приемника является то, что он чувствителен только по одной координате, например по координате X. Указанное обстоятельство, в частности, не позволяет использовать этот приемник в качестве двумерного координатно-чувствительного приемника оптического излучения, т.е. не дает возможности использовать его по координатам Х и Y.

Заявляемое изобретение направлено на создание двумерного координатно-чувствительного автономного приемника оптического излучения повышенной чувствительности.

Указанный результат достигается тем, что двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения получен из полупроводниковых соединений в виде двумерной - по координатам Х и Y ступенчатообразной АФН-пленки с постепенным увеличением толщины ступенек по оси Х с продолжением увеличения на каждой следующей ступеньке по оси Y или наоборот.

Для получения пленок различной толщины используется вакуумная установка ВУП-2к. В рабочей камере вакуум достигает порядка 10^-4-10^-5 мм рт.ст., температура подложки 310-480°С, подложку располагают под углом 45° к направлению молекулярного пучка.

В качестве подложек используется стекло толщиной 2 мм. Подготовленные подложки помещаются в специальный держатель и на поверхность подложки устанавливается двухстворчатая маска из изоляционного материала (гетинакс). В рабочую камеру устанавливаются идентичные микроэлектродвигатели 2 об/мин, для открытия или закрытия поверхности подложки, путем взаимно перпендикулярного перемещения соответствующих шторок. Открытие поверхности подложки осуществляется электродвигателями при помощи легких термостойких тросиков, связанных со шторками. Вращением двигателей постепенно открывается поверхность подложки. Пленки, полученные на подложке с размером 20×20 мм², двумерно ступенчатообразны по осям Х и Y. Толщина каждой ступени определяется при помощи интерференционного микроскопа МИ-4.

На фиг.1 и 2 приведены изображения АФН-пленки: 1 - двумерный ступенчатообразный фоточувствительный слой из кристаллического теллурида кадмия; 2 - стеклянная подложка, 3 - металлические контакты, Ф₀ - поток падающего направленного монохроматического излучения.

Падающий поток света Ф₀ генерирует фотонапряжение АФН. Меняя координаты монохроматического излучения по ступенькам от 1,0 до 2,6 мкм, пропорционально уменьшается генерируемое фотонапряжение V_афн.

В исследованных термически обработанных пленках фотонапряжение сначала возрастало (до 1 мкм толщиной), а потом с увеличением толщины уменьшалось. Монохроматическое освещение при всех измерениях поддерживалось постоянным I=10⁴ лк.

Пример 1. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия на стеклянную подложку при температуре 420°С в вакууме 10^-5 мм рт.ст., расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начально закрытых шторках маски. Сначала на один шаг открывается шторка по оси Y при последующем пошаговом открывании второй шторки по оси X. После полного открытия шторки по оси Х она возвращается в исходное положение, а шторка по оси Y открывается еще на шаг и так до полного открытия всей маски. Толщина каждой ступеньки при размере матрицы 3×3 составляет 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. Величина аномального фотонапряжения 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 на стеклянную подложку при температуре 420°С в вакууме 10^-5 мм рт.ст., расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начально закрытых шторках маски. Сначала на один шаг открывается шторка по оси Y при последующем пошаговом открывании второй шторки по оси X. После полного открытия шторки по оси Х она возвращается в исходное положение, а шторка по оси Y открывается еще на шаг и так до полного открытия всей маски. Толщина каждой ступеньки при размере матрицы 3×3 составляет 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. Величина аномального фотонапряжения 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.

Пример 3. Фоточувствительный слой наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия на стеклянную подложку при температуре 420°С в вакууме 10^-5 мм рт.ст., расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начально открытых шторках маски. Сначала на один шаг закрывается шторка по оси Y при последующем пошаговом закрывании второй шторки по оси X. После полного закрытия шторки по оси Х она возвращается в исходное положение, а шторка по оси Y закрывается еще на шаг и так до полного закрытия всей маски. Толщина каждой ступеньки при размере матрицы 3×3 составляет 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. Величина аномального фотонапряжения 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 наносится термическим испарением кристаллического теллурида кадмия на стеклянную подложку при температуре 420°С в вакууме 10^-5 мм рт.ст., расположенную под углом 45° к направлению молекулярного пучка при начально открытых шторках маски. Сначала на один шаг закрывается шторка по оси Y при последующем пошаговом закрывании второй шторки по оси X. После полного закрытия шторки по оси Х она возвращается в исходное положение, а шторка по оси Y закрывается еще на шаг и так до полного закрытия всей маски. Толщина каждой ступеньки при размере матрицы 3×3 составляет 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. Величина аномального фотонапряжения 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-чувствительный автономный приемник оптического излучения, выходной сигнал которого содержит информацию о направлении и величине смещения излучающего объекта по осям Х и Y. На основе АФН-пленки полученной по способу получения двумерного координатно-чувствительного фотогенератора, изготовлен двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения.

Двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения предназначен для определения координат источника светового излучения. Выходной сигнал содержит информацию о направлении и величине смещения излучающего объекта по координатам Х и Y.

Источники информации

1. Optischer positionsauflösender Sensor. Заявка № 19714820, Германия, МПК⁶ G01J 1/22, B64G 1/36, опубл. 15.10.1998.

2. Пат. 2246779 РФ. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения / Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьезнов // МПК H01L 31/09. БИ № 2, 2005.

Двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения, включающий стеклянную подложку, фоточувствительную АФН-пленку (аномального фотонапряжения) из полупроводникового материала и металлические контакты, отличающийся тем, что двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения получен из полупроводниковых соединений в виде двумерной - по координатам Х и Y ступенчатообразной АФН-пленки с постепенным увеличением толщины ступенек по оси Х с продолжением увеличения на каждой следующей ступеньке по оси Y или наоборот.

Изобретение относится к микроэлектронной измерительной технике и может быть использовано в конструкции и технологии производства полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения (УФИ).

Координатно-чувствительный приемник оптического излучения // 2246779

Изобретение относится к приемникам оптического излучения для применения в оптоэлектронных и робототехнических устройствах, служащим для регистрации параметров оптического излучения.

Фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры cdhgte (варианты) // 2244366

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может использоваться для создания полупроводниковых фотоприемников, в частности фоторезисторов для регистрации и измерения светового излучения.

Фотоприемное устройство // 2244365

Первичный измерительный преобразователь ультрафиолетового и гамма-излучений, осуществляющий компенсацию погрешностей, вызванных влиянием темновых токов // 2189667

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для измерения электромагнитных излучений, работающих в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до гамма-излучений.

Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения // 2178601

Изобретение относится к микроэлектронике. .

Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения // 2155418

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии конструирования полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения (УФИ). .

Детектор рентгеновского излучения // 1644637

Изобретение относится к регистрации излучений и может быть использовано для регистрации жесткого рентгеновского излучения на фоне гамма-излучения. .

Способ регистрации излучения фотоприемной матрицей // 2399990

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к излучению, и может быть использовано для разработки фотоприемников, в частности, предназначенных для регистрации инфракрасного излучения

Полупроводниковый приемник инфракрасного излучения // 2488916

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, точнее к компактным фотоприемникам излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, применяемым в различных областях науки и техники, в промышленности, а именно в спектроскопии, в медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах

Наноструктурный ик-приемник (болометр) с большой поверхностью поглощения // 2511275

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок. ТЧЭ и ПЭЭ объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала Bi1-xSbx (0<x<12). Покрытие максимально покрывает поверхность мембраны и включает полоску, которая отделена зазорами шириной l от остальной части покрытия за исключением концов полоски, соединенных с остальной частью покрытия. Кроме того, покрытие разделено щелью на две части, электрически соединенные указанной полоской. Параметры болометра удовлетворяют следующим соотношениям: R/2Z<1, где R - удельное поверхностное сопротивление пленки, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства; S/χ1>l2/χ2, где χ1 - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной, χ2 - температуропроводность материала мембраны. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении удельной обнаружительной способности устройства. 1 ил.

Приемник ик-излучения болометрического типа // 2515417

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок. Функции (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде 2N периодических решеток, ориентированных взаимно перпендикулярно друг к другу. Решетки состоят из n тонкопленочных монокристальных полосок, изготовленных из Bi1-xSbx (0<x<12), и представляют собой n фазированных антенн с периодом L=λ/2. Параметры болометра удовлетворяют следующим соотношениям: Δλ≤(λ/n+λR0/2Z), τ<20a×b/χ, R0/2Z<0,5, где Δλ - интервал регистрируемых длин волн на основной длине волны λ, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной, а - ширина, b - длина полосок, Ro - сопротивление квадратного участка поверхности полоски, τ - время выхода на стационарное состояние при воздействии прямоугольного импульса электромагнитной энергии. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства. 1 ил.

Детектор излучения // 2517802

Изобретение относится к области низкоразмерной нанотехнологии и высокодисперсным материалам и может быть использовано при изготовлении детекторов электромагнитного излучения, преимущественно оптического, с наноструктрированным поглощающим (фоточувствительным) слоем. Детектор излучения снабжен прозрачными контактами и контактами основы, между которыми расположен массив наногетероструктурных элементов, образованных донорными полупроводниковыми слоями, между которыми расположен поглощающий полупроводниковый слой. Массив наногетероструктурных элементов образован в порах матрицы оксида алюминия с диаметром пор от 40 до 150 нм. Донорные полупроводниковые слои и поглощающий полупроводниковый слой образуют структуру узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник. Донорные полупроводниковые слои выполнены из Ge, поглощающий полупроводниковый слой выполнен из ZnSe(1-x)Sx. В качестве контактов основы используется никель, или серебро, или оксид индия-олова, в качестве прозрачных контактов используется пленка оксидов индия-олова. В качестве основы используют подложку из Si. Расстояние между контактами основы составляет от 1 до 10 мкм. Изобретение обеспечивает повышение точности позиционирования устройств, в которых реализуются сверхмалые перемещения: сканирующих атомно-силовых и туннельных микроскопов, микро- и наноэдьюкаторов и др., кроме того, достигается высокая точность фиксации перемещения. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Автономный приемник рентгеновского и ультрафиолетового излучения // 2522737

Использование: для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Сущность изобретения заключается в том, что автономный приемник для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения включает металлический корпус, прозрачную диэлектрическую подложку, фоточувствительный слой из АФН-пленки и металлические контакты, при этом между прозрачной диэлектрической подложкой и металлическим корпусом помещено отражающее покрытие, приемник снабжен полусферической зеркальной крышкой, имеющей окно, прозрачное для рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Технический результат: повышение чувствительности при регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Сверхширокополосный вакуумный туннельный фотодиод для детектирования ультрафиолетового, видимого и инфракрасного оптического излучения и способ для его реализации // 2523097

Изобретение относится к оптоэлектронике и вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании сверхширокополосных фотодетекторов в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра для оптической спектроскопии и диагностики, систем оптической связи и визуализации. Cверхширокополосный вакуумный туннельный фотодиод, детектирующий оптическое излучение в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующийся тем, что форма поверхности фотоэмиттера представляет 3D пространственно наноградиентную структуру с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля, расстояние между фотоэмиттером и анодом формируется в микро- или нанометровом диапазоне. Фотодиод создан на основе матрицы диодных ячеек планарно-торцевых автоэмиссионных структур с лезвиями α-углерода. Также предложен способ создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующийся тем, что поверхность фотоэмиттера, имеющего работу выхода А, создают в виде 3D пространственно наноградиентной структуры с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля β, формируют расстояние между фотоэмиттером и анодом в микро- или нанометровом диапазоне, при этом граничная величина напряжения на аноде Umax, соответствующая максимальному туннельному фотоэмиссионному току при детектировании оптического излучения с заданной длиной волны λ, определяется из предложенного соотношения. Изобретение обеспечивает возможность создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода, позволяющего детектировать оптическое излучение в УФ, видимой и ИК спектральной области при использовании одного наноструктурного эмиттера с управляемой, изменением напряженности электростатического поля, «красной» границей фотоэффекта. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Быстродействующий широкодиапазонный инфракрасный микроболометрический детектор // 2574524

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано при изготовлении микроболометрических матриц, детектирующих излучение в двух инфракрасных (ИК) диапазонах с длинами волн 3-5 мкм и 8-14 мкм, соответствующих окнам прозрачности атмосферы. Инфракрасный микроболометрический детектор включает в себя единственный микромостиковый слой с множеством пикселей, каждый из которых содержит по меньшей мере один структурный слой из нитрида кремния, детектирующий излучение слой из оксида ванадия и слой, содержащий поглощающий материал. Поглощающим материалом является пленка тантала толщиной от 3 до 20 нм, при этом толщина слоя нитрида кремния не превышает 210 нм, а толщина слоя окиси ванадия - 170 нм. Технический результат заключается в создании микроболометрического детектора, имеющего равные коэффициенты поглощения в двух спектральных диапазонах, и повышении его быстродействия без снижения разрешающей способности. 1 табл., 8 ил.

Полупроводниковый детектор с внутренним усилением на основе полуизолирующего арсенида галлия и способ его изготовления // 2586081

Изобретение относится к радиографии, в частности к системам цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с помощью многоканальных полупроводниковых детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия. Предложенные конструкция и способ ее изготовления позволяют реализовать принцип внутреннего усиления в многоканальных полупроводниковых детекторах. Полупроводниковый детектор включает формирование полуизолирующей i-области, которая выполнена на основе арсенида галлия, компенсированного хромом, и металлические контакты к ней, при этом между металлическими контактами и i-областью формируют слой полупроводника, например арсенида индия, толщиной менее диффузионной длины электронов, инжектируемых из металлического контакта в i-область, и понижающий высоту потенциального барьера контакта металл-GaAs до энергии теплового равновесия кристалла, kT. Формирование осуществляют путем нанесения слоя индия поверх металлических контактов к i-области и последующего отжига контактов в условиях, достаточных для проплавления первичного металлического контакта. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Полупроводниковая структура, устройство с такой структурой и способ изготовления полупроводниковой структуры // 2617281

Использование: для обнаружения и/или измерения электромагнитных излучений. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковая структура, способная принимать электромагнитное излучение (λ) и преобразовывать его в электрический сигнал, содержит первую и вторую области одного и того же типа проводимости, которые состоят из одних и тех же элементов, барьерную область между первой и второй областями для действия в качестве барьера для основных носителей первой и второй зон на толщине барьера, причем барьерная область имеет наименьшую ширину запрещенной зоны, определяющую барьерное соотношение для барьера, первую граничную область, расположенную так, чтобы граничить с первой областью и барьерной областью с первой граничной толщиной, причем первая граничная область имеет состав из составляющих элементов, который изменяется от соотношения, соответствующего соотношению первого материала, до барьерного соотношения, и первая граничная толщина равна, по меньшей мере, половине толщины барьера. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.