Пассивирующее покрытие поверхностей инфракрасных фотодиодов, светодиодов и лазеров

Изобретение относится к полупроводниковой и лазерной технике и предназначено для повышения качества работы фото-, светодиодов и лазеров. Для этого на рабочие поверхности указанных устройств для их пассивации наносится раствор фуллерена C₇₀ в ароматическом растворителе, например в дихлорбензоле с концентрацией 0,5 мг/мл. Далее выполняются термическая сушка для испарения растворителя и ультрафиолетовое облучение полученного пассивирующего покрытия, толщина которого составляет 10-100 мкм. Техническим результатом изобретения является повышение качества работы фотодиодов, светодиодов и лазеров с покрытием на рабочих поверхностях. 2 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой и лазерной технике и предназначено для повышения качества работы инфракрасных светодиодов, фотодиодов и лазеров.

Известно оптическое покрытие-аналог стеклянных поверхностей (см. «Высокопрочное углеродное покрытие (DLC или алмазоподобное покрытие)», http://www.tydex.ru/materials/coating/dlccoatings/). Данное покрытие-аналог представляет собой слой твердого углерода, который специальным способом наносится на поверхности кремниевых и германиевых окон в военной технике и наружных тепловизорах, а также на различные внешние оптические поверхности. Покрытие-аналог служит для придания вышеназванным поверхностям высокого сопротивления абразивам, механическим ударам, солям, щелочам, маслам, а также для защиты этих поверхностей от скоростных частиц в воздухе, от морской воды, машинного топлива и масла, высокой влажности и пр. Наряду с защитными свойствами покрытие-аналог имеет хорошую адгезию к германию и кремнию. Покрытие-аналог характеризуется средними уровнями поглощения и рассеивания во всем инфракрасном диапазоне длин волн, где оно используется. Имеет показатель преломления порядка 0,2. Обладает хорошим просветляющим действием как на германий, так и на кремний.

Одним из недостатков описанного покрытия-аналога является его высокая стоимость из-за сложной технологии нанесения покрытия-аналога, включающей и используемое оборудование: для нанесения такого покрытия применяют метод импульсной конденсации углеродной плазмы, реализуемый при помощи соответствующей установки (см. «Новые материалы, обеспечивающие управление смазочной способностью масел», раздел «Технология получения углеродных нанопокрытий», авторы В.А.Левченко и др., По материалам Международной конференции 14-15 декабря 2004 г., г.Москва, «Нанотехнологии и их влияние на трение и усталость в машинах», http://www.tribo.ru/netcat_files/313/208/ h_de907112a8794e66fa4d1a27ba111754). Другим недостатком покрытия-аналога является нецелесообразность его применения в фотодиодах и светодиодах, где оно не может обеспечить качества, достигаемые пассивацией.

Пассивацию применяют для устранения нежелательного воздействия рабочих поверхностей оптических полупроводников на рабочие свойства последних (см. В.Н.Бессолов, М.В.Петров «Халькогенидная пассивация поверхности полупроводников А В. Обзор», «Физика и техника полупроводников», 1998 г., том 32, №11, стр.1281). Термин «пассивация» означает, что поверхность полупроводника становится менее химически активной, на ней становится меньше активных центров рекомбинации и (или) сами эти центры становятся менее активными. Для пассивации рабочей поверхности полупроводника на нее наносят соответствующее покрытие, обеспечивающее этой поверхности требуемые качества, например, предотвратить реакцию поверхности с атмосферной средой в течение всего срока службы полупроводника, устранить интерфейсные состояния из запрещенной зоны и предотвратить их образования, обеспечить достаточный барьер, чтобы электроны полупроводника не терялись в пассивирующем слое. При этом пассивация может быть реализована как при помощи растворов (мокрая пассивация), так и при помощи газовой среды (сухая пассивация) (см. В.Н.Бессолов, М.В.Петров «Халькогенидная пассивация…», стр.1282, а также см. С.А.Леонов и др. «Ионно-плазменная пассивация поверхности кристаллов CdZnTe», «Вопросы атомной науки и техники», 2004 г., №6, серия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (14)», стр.147).

Известно пассивирующее покрытие-аналог поверхностей детекторов, выполняемое методом ионно-плазменного напыления, то есть методом сухой пассивации (см. С.А.Леонов и др. «Ионно-плазменная пассивация…», стр.148). Указанное покрытие-аналог содержит диэлектрики Al₂O₃, TiO₂ или ZrO₂. Нанесение этого покрытия-аналога выполняют в два этапа. Сначала в вакуумной камере поверхности детекторов подвергают ионно-плазменной очистке в атмосфере кислорода при пониженном давлении в несамостоятельном газовом дуговом разряде. В результате такой очистки с поверхностей детекторов удаляются адсорбированные молекулы газов и воды, а также происходит ее частичное протравливание. Затем, на втором этапе на поверхности детекторов, по-прежнему находящихся в вакуумной камере, осаждается слой диэлектрика, одного из указанных выше. Этот слой формируется на поверхности диэлектриков в процессе проведения плазмохимической реакции распыляемого материала с кислородом.

Изменение соотношения потоков ионов распыляемого материала и давления кислорода в процессе осаждения дает возможность управлять составом формирующегося пассивирующего слоя и, тем самым, обеспечить наиболее полную пассивацию поверхностей детекторов. В этом заключается преимущество метода ионно-плазменного напыления при создании пассивирующего покрытия.

Недостатками покрытия-аналога являются следующие:

- необходимость использования дорогостоящего оборудования удорожает создание аналога,

- создание и поддержание рабочих параметров вакуума, плазмы и других режимов работы указанного выше оборудования делает его трудо- и энергозатратным, что удорожает создание аналога.

Известно покрытие-аналог, полученное посредством халькогенидной пассивации, которая выполнялась при комнатной температуре по принципу «мокрая пассивация» (см. «63-я отчетная студенческая конференция, посвященная 142-й годовщине Одесского национального университета им. И.И.Мечникова. Тезисы докладов. 17-18 апреля 2007 г., доклад «Влияние халькогенидной пассивации на фотоэлектрические свойства p-n-переходов на основе арсенида галлия», Кондратюк В., Зеленин П., науч. рук. - канд. наук Маслеева Н.В.»,

http://phys.onu.edu.ua/files/student/konf/63_studentkonferenc.pdf). При изучении влияния халькогенидного пассивирующего покрытия на характеристики p-n-переходов на основе GaAs было обнаружено, что указанное покрытие:

- увеличивает наклон вольт-амперной характеристики (ВАХ) и уменьшает коэффициент неидеальности,

- улучшает ВАХ обратного тока,

- резко увеличивает фототек,

- увеличивает коэффициент поглощения,

- уменьшает скорость поверхностной рекомбинации,

- способствует росту диффузионной длины в приповерхностной области.

Описанное пассивирующее покрытие-аналог характеризуется технологической простотой нанесения и не требует какого-либо сложного оборудования. Однако не отмечено влияние покрытия-аналога на уменьшение темнового тока и на увеличение поверхностного сопротивления полупроводника, что является недостатком аналога.

Известно пассивирующее покрытие-аналог лазера класса А³В⁵ - InGaAs/AlGaAs сульфидными растворами в третичном бутаноле (см. V.N.Bessolov, M.V.Lebedev, Y.M.Shernyakov, B.V.Tsarenkov "Sulphur Passivations of InGaAs/AlGaAs SQW Laser (997 nm) Facets in Alcohol-Based Solutions", Mater. Sci. and Engin. B44.1996. p.380-382). Покрытие-аналог обеспечило улучшение защитных свойств рабочей поверхности лазера. Этот эффект особенно ярко выражен для лазеров сравнительно большой мощности и, прежде всего, в улучшении защиты от излучения в ультрафиолетовой и видимой оптической части спектра.

Недостатком покрытия-аналога является то, что в информации о нем нет сведений о влиянии покрытия на уменьшение темнового тока, на увеличение сопротивления излучателя лазера, основанного на гетроструктуре InGaAs/AlGaAs. Кроме этого было выявлено, что:

- адгезия атомов серы к поверхности вышеназванной гетроструктуры была недостаточно сильной,

- полученные положительные поверхностные эффекты модификации ослаблялись,

- сами по себе атомы серы, связанные с рабочей поверхностью лазера, окислялись и деградировали во времени при взаимодействии вышеназванной гетроструктуры с различными агрессивными окислителями, присутствующими в атмосфере (кислород, вода, агрессивные газы, летучие кислоты), причем упомянутое окисление резко усиливалось при активации рабочей поверхности, например, за счет нагрева.

Известно углеродосодержащее пассивирующее покрытие-прототип поверхностей полупроводников, когда применяли сульфидсодержащие органические соединения, растворенные в неводных растворах, например, [CH₃(CH₂)₁₇]₂NCSSNa (см. В.Н.Бессолов, М.В.Лебедев «Халькогенидная пассивация поверхности...», стр.1282). Для получения покрытия-прототипа на поверхности изделия, например, детектора наносили вышеуказанный раствор или само изделие погружали в этот раствор. Иногда выполняли подогрев или подсветку ультрафиолетом, чтобы зафиксировать химический процесс формирования прототипа.

Как видно из изложенного, создание пассивирующего покрытия-прототипа не требует дорогостоящего и энергоемкого оборудования, как в случае последнего покрытия-аналога. Технология нанесения прототипа более проста, чем у последнего покрытия-аналога.

Недостатками пассивирующего покрытия-прототипа являются следующие. В информации о прототипе отсутствуют следующие положительные явления при эксплуатации изделия с покрытием-прототипом:

- уменьшение темнового тока и увеличение сопротивления при нулевом смещении для инфракрасных фотодиодов и светодиодов,

- увеличение интенсивности излучения для инфракрасных светодиодов,

- понижение пороговых токов генерации для инфракрасных лазеров,

- увеличение мощности излучения инфракрасных лазеров.

Кроме всего перечисленного отсутствуют сведения об удовлетворительном сроке службы покрытия-прототипа.

Перечисленные недостатки говорят о недостаточно высоком качестве работы инфракрасных фотодиодов, светодиодов и лазеров, на поверхности которых было нанесено пассивирующее покрытие-прототип.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества работы вышеназванных фотодиодов, светодиодов и лазеров с покрытием-прототипом на рабочих поверхностях.

Указанная цель достигается за счет того, что в пассивирующем покрытии, наносимом на рабочие поверхности инфракрасных фотодиодов, светодиодов и лазеров в виде содержащего углерод неводного раствора с последующими термической сушкой и ультрафиолетовым облучением, выполнено следующее.

Раствор содержит фуллерен С₇₀ и ароматический растворитель с концентрацией не менее 0,5 мг/мл. При этом в качестве ароматического растворителя выбран дихлорбензол, а толщина покрытия составляет от 10 до 100 мкм.

Авторы не обнаружили в процессе информационного поиска сведений о наносимых на поверхности фото- и светодиодов раствора фуллерена С₇₀ в каком-либо ароматическом растворителе. Авторы также не обнаружили в процессе указанного поиска сведений о характеристиках, которые получают полупроводники благодаря известным пассивирующим покрытиям и которым бы уступали характеристики, полученные авторами в процессе экспериментов благодаря предлагаемому покрытию. Поэтому предлагаемое техническое решение обладает новизной.

Существенность отличий предлагаемого решения подтверждается следующим.

Термическая сушка нанесенного на поверхности фото- и светодиодов раствора фуллерена С₇₀ в ароматическом растворителе с концентрацией не менее 0,5 мг/мл обеспечивает испарение этого растворителя и одновременное разрушение кристаллосольватов указанного фуллерена. Таким образом при выполнении одной описанной операции достигаются два положительных результата:

- удаление жидкого ароматического растворителя из образующейся фуллереновой пленки покрытия за счет испарения растворителя,

- разрушение (удаление) образовавшихся кристаллосольватов фуллерена С₇₀, снижающих оптическое и механическое качества покрытия.

Последующее ультрафиолетовое облучение полученного пленочного покрытия обеспечивает его закрепление на поверхностях фото- и светодиодов.

Результаты экспериментальных замеров характеристик инфракрасных фотодиодов, светодиодов и лазеров, на поверхностях которых было организовано предлагаемое пассивирующее покрытие, по сравнению с замерами таких же характеристик у таких же фото-, светодиодов и лазеров, не имеющих указанное покрытие, показали следующее:

- для фотодиодов темновой ток уменьшается на ~30-50 отн.%,

- для фотодиодов сопротивление при нулевом смещении возрастает на ~20-30 отн.%,

- для светодиодов токи утечки уменьшаются на ~20-30 отн.%,

- для светодиодов сопротивление при нулевом смещении возрастает на ~40-60 отн.%,

- для светодиодов интенсивность излучения возрастает на ~15-25 отн.%,

- для лазеров токи утечки уменьшаются на ~30-45 отн.%,

- для лазеров пороговые токи геерации уменьшаются на ~40-69 отн.%,

- для лазеров интенсивность выходного когерентного излучения возрастает на ~55-70 отн.%.

На основании вышеприведенных результатов сравнительных замеров можно утверждать, что имеет место повышение качества работы инфракрасных фото-, светодиодов и лазеров, на поверхностях которых организовано предлагаемое пассивирующее покрытие при использовании раствора фуллерена С₇₀ в ароматическом растворителе с концентрацией не менее 0,5 мг/мл. С меньшей концентрацией достигаемый эффект менее значим.

Выбор именно дихлорбензола из целого ряда ароматических растворителей для получения раствора C₇₀ объясняется тем, что:

- фуллерен С₇₀ именно в нем растворяется лучше всего,

- указанный растворитель имеет низкую точку кипения и поэтому будет испаряться быстрее, чем другие ароматические растворителя.

Поэтому дихлорбензол является лучшим растворителем для получения предлагаемого пассивирующего покрытия.

Ограничение толщины пассивирующего покрытия диапазоном от 10 до 100 мкм объясняется тем, что вышеприведенные положительные результаты работы инфракрасных фото-, светодиодов и лазеров получены при наличии на их поверхностях указанных покрытий с толщинами, лежащими в указанном диапазоне. Следует отметить, что при толщине покрытия меньше 10 мкм эффективность его будет меньше, а толщина покрытия свыше 100 мкм нецелесообразна, так как эффективность покрытия не повышается.

Предлагаемое покрытие реализуют следующим образом.

Приготавливают раствор фуллерена С₇₀ в выбранном ароматическом растворителе с концентрацией не менее 0,5 мг/мл. Для этого можно применять механическое размешивание фуллерена в растворителе при комнатной температуре в течение 40-60 мин.

Полученный раствор фильтруют через бумажный фильтр, например, марки «синяя лента», в результате чего получается гомогенный раствор фуллерена С₇₀.

Поверхности инфракрасных фото- и светодиодов, предназначенные для нанесения предлагаемого покрытия, очищают от загрязнений и обезжиривают.

Указанные фото- и светодиоды погружают в упомянутый гомогенный раствор и выдерживают в нем в течение 2-х или более часов при комнатной температуре. Как альтернативный вариант, можно выполнять многократное смачивание поверхностей фото- и светодиодов упомянутым раствором при помощи кисти или тампона.

Далее с поверхностей указанных фото- и светодиодов удаляют излишки нанесенного раствора, например, при помощи бумажного фильтра марки «синяя лента» и указанные полупроводники сушат в сушильном шкафу при температуре 100-120°С в течение 60 или более минут.

После сушки поверхности фото- и светодиодов подвергают ультрафиолетовому облучению. Для этого может быть использована стандартная ртутная дуговая лампа, расстояние между которой и облучаемыми полупроводниками должно быть не менее 5 см, а время облучения составляло не менее 60 мин.

В результате на поверхностях инфракрасных фото- и светодиодов образуется сплошная пленка фуллерена С₇₀ с толщиной 10-100 мкм.

1. Пассивирующее покрытие, наносимое на поверхности инфракрасных фотодиодов, светодиодов и лазеров в виде содержащего углерод неводного раствора с последующими термической сушкой и ультрафиолетовым облучением, отличающееся тем, что раствор содержит фуллерен C₇₀ и ароматический растворитель с концентрацией не менее 0,5 мг/мл.

2. Пассивирующее покрытие по п.1, отличающееся тем, что в качестве ароматического растворителя выбран дихлорбензол.

3. Пассивирующее покрытие по п.1, отличающееся тем, что его толщина составляет от 10 до 100 мкм.