|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Полупроводниковое устройство, такое как светодиод или фотодиод, для среднего инфракрасного диапазона спектра, содержащее по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, причем халькогенидная система дополнительно содержит по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. 2. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb/GaSb. 3. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру InAs/InAsSb/InSbP. 4. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру InAs/InSbP/InAsSbP. 5. Способ нанесения оптического покрытия на полупроводниковое устройство, такое как светодиод или фотодиод, для среднего инфракрасного диапазона спектра, согласно которому материал, представляющий собой полупроводниковую халькогенидную систему, содержащую As, S, Se и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl, нагревают до температуры текучести материала, наносят нагретый материал на полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, после чего осуществляют охлаждение полученного оптического покрытия. 6. Способ по п.5, согласно которому нанесение указанного нагретого материала выполняют капельным путем, при этом указанный материал наносят в количестве, превышающем необходимое количество, требуемое для формирования оптического покрытия, после нанесения указанного материала на полупроводниковый чип указанный чип переворачивают с обеспечением стекания избыточного количества материала и формирования оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму. 7. Способ по п.5, согласно которому перед нанесением указанного материала располагают полупроводниковое устройство в положении, при котором его поверхность, на которую наносят покрытие, является нижней, нанесение указанного материала выполняют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового устройства с указанным материалом с обеспечением смачивания указанной поверхности полупроводникового устройства указанным материалом, после чего извлекают полупроводниковое устройство и обеспечивают стекание избыточного количества указанного материала с формированием оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму. 8. Способ по п.5, согласно которому заполняют указанным материалом форму, имеющую выемку, конфигурация которой соответствует требуемой конфигурации оптического покрытия, располагают полупроводниковое устройство в положении, при котором поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, является нижней, а нанесение материала осуществляют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового устройства с указанным материалом в указанной выемке, при этом охлаждение оптического покрытия осуществляют в указанной форме, после чего полупроводниковое устройство извлекают. 9. Устройство для определения химического состава веществ в анализируемой среде, содержащее трубчатый корпус, в котором выполнены входной и выходной каналы, обеспечивающие циркуляцию анализируемой среды, по меньшей мере один источник инфракрасного излучения, установленный на одном конце корпуса, и по меньшей мере один приемник инфракрасного излучения, установленный на другом конце корпуса, при этом источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения расположены на одной оптической оси, которая совпадает с продольной осью трубчатого корпуса, и спектрально согласованы друг с другом, причем источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения выполнены на основе полупроводникового устройства по любому из пп.1-4. 10. Устройство по п.9, в котором в корпусе дополнительно установлена светоотражающая трубка. 11. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит по меньшей мере один конический рефлектор, расположенный на источнике инфракрасного излучения или приемнике инфракрасного излучения. 12. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит два конических рефлектора, один из которых расположен на источнике инфракрасного излучения, а другой расположен на приемнике инфракрасного излучения. 13. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит опорный приемник излучения.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Полупроводниковое устройство, такое как светодиод или фотодиод, для среднего инфракрасного диапазона спектра, содержащее по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, причем халькогенидная система дополнительно содержит по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. 2. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb/GaSb. 3. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру InAs/InAsSb/InSbP. 4. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру InAs/InSbP/InAsSbP. 5. Способ нанесения оптического покрытия на полупроводниковое устройство, такое как светодиод или фотодиод, для среднего инфракрасного диапазона спектра, согласно которому материал, представляющий собой полупроводниковую халькогенидную систему, содержащую As, S, Se и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl, нагревают до температуры текучести материала, наносят нагретый материал на полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, после чего осуществляют охлаждение полученного оптического покрытия. 6. Способ по п.5, согласно которому нанесение указанного нагретого материала выполняют капельным путем, при этом указанный материал наносят в количестве, превышающем необходимое количество, требуемое для формирования оптического покрытия, после нанесения указанного материала на полупроводниковый чип указанный чип переворачивают с обеспечением стекания избыточного количества материала и формирования оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму. 7. Способ по п.5, согласно которому перед нанесением указанного материала располагают полупроводниковое устройство в положении, при котором его поверхность, на которую наносят покрытие, является нижней, нанесение указанного материала выполняют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового устройства с указанным материалом с обеспечением смачивания указанной поверхности полупроводникового устройства указанным материалом, после чего извлекают полупроводниковое устройство и обеспечивают стекание избыточного количества указанного материала с формированием оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму. 8. Способ по п.5, согласно которому заполняют указанным материалом форму, имеющую выемку, конфигурация которой соответствует требуемой конфигурации оптического покрытия, располагают полупроводниковое устройство в положении, при котором поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, является нижней, а нанесение материала осуществляют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового устройства с указанным материалом в указанной выемке, при этом охлаждение оптического покрытия осуществляют в указанной форме, после чего полупроводниковое устройство извлекают. 9. Устройство для определения химического состава веществ в анализируемой среде, содержащее трубчатый корпус, в котором выполнены входной и выходной каналы, обеспечивающие циркуляцию анализируемой среды, по меньшей мере один источник инфракрасного излучения, установленный на одном конце корпуса, и по меньшей мере один приемник инфракрасного излучения, установленный на другом конце корпуса, при этом источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения расположены на одной оптической оси, которая совпадает с продольной осью трубчатого корпуса, и спектрально согласованы друг с другом, причем источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения выполнены на основе полупроводникового устройства по любому из пп.1-4. 10. Устройство по п.9, в котором в корпусе дополнительно установлена светоотражающая трубка. 11. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит по меньшей мере один конический рефлектор, расположенный на источнике инфракрасного излучения или приемнике инфракрасного излучения. 12. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит два конических рефлектора, один из которых расположен на источнике инфракрасного излучения, а другой расположен на приемнике инфракрасного излучения. 13. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит опорный приемник излучения.
Евразийское 027273 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.07.31
(21) Номер заявки 201500074
(22) Дата подачи заявки
2014.12.24
(51) Int. Cl.
H01L 33/44 (2010.01) G01N 21/35 (2014.01)
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В АНАЛИЗИРУЕМОЙ СРЕДЕ
(43) 2016.06.30
(96) 2014000155 (RU) 2014.12.24
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "МИКРОСЕНСОР ТЕХНОЛОДЖИ" (RU)
(72) Изобретатель:
Стоянов Николай Деев, Петухов Андрей Александрович, Кижаев Сергей Сергеевич, Молчанов Сергей Сергеевич, Семенча Александр Вячеславович (RU)
(74) Представитель:
Нилова М.И. (RU)
(56) RU-C1-2025833
EA-A1-201201243
EA-A1-201201245
RU-C2-2261501
US-A1-20010048079
WO-A1-2010146110
RU-A-2006131063
UA-U-27726
UA-U-37828
(57) Изобретение, в целом, относится к области полупроводниковых устройств. В частности, настоящее изобретение относится к полупроводниковым диодным источникам и приемникам инфракрасного излучения, работающим в средней инфракрасной области 1,6-5,0 мкм, а также устройствам для определения химических веществ в анализируемой среде, содержащим такие диодные источники и приемники инфракрасного излучения. Предлагаемые устройства могут быть использованы для определения наличия и/или содержания химических веществ, например, таких как метан, диоксид углерода и др. Предложен полупроводниковый диод для среднего инфракрасного диапазона спектра, содержащий по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе сложной полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, причем халькогенидная система дополнительно содержит по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в снижении температуры текучести материала оптического покрытия.
Область техники
Настоящее изобретение, в целом, относится к области полупроводниковых устройств. В частности, настоящее изобретение относится к полупроводниковым диодным источникам и приемникам инфракрасного излучения, работающим в средней инфракрасной области 1,6-5,0 мкм, а также устройствам для определения химических веществ в анализируемой среде, содержащим такие диодные источники и приемники инфракрасного излучения. Предлагаемые устройства могут быть использованы для определения наличия и/или содержания химических веществ, например, таких как метан, диоксид углерода и др.
Уровень техники
Для анализа состава многокомпонентных газовых смесей широко используется метод инфракрасной спектроскопии. Наличие узких селективных полос поглощения разной интенсивности в средней инфракрасной области спектра, характерных для каждого анализируемого компонента, позволяет выбирать оптимальные условия для измерения концентрации паров воды, метана, оксида и диоксида углерода и
др.
В настоящее время широкое распространение получили устройства газового анализа на основе источников и фотоприемников инфракрасного излучения. При этом для достижения высокого КПД указанных устройств газового анализа необходимо, чтобы параметры его составных частей были согласованы по спектральным характеристикам, быстродействию, температурным характеристикам. Кроме того, источники инфракрасного излучения, используемые в устройствах газового анализа, должны обладать достаточно узкой направленностью излучения. Не менее важным является выбор фотоприемника, который должен обладать не только высокой эффективностью преобразования падающего на него излучения, но и требуемым спектральным распределением фоточувствительности и быстродействием.
Известен полупроводниковый источник инфракрасного излучения (патент Украины на изобретение № 85645, МПК H01L 33/00, публ. 10.02.2009), выбранный в качестве прототипа, который содержит полупроводниковый чип, теплопроводную основу с углублением, боковая поверхность которой отражает излучение чипа и имеет форму срезанного конуса, а также оптическое покрытие из прозрачного для излучения материала. Излучающие кристаллы выполнены на основе твердых растворов А3В5 и излучают в средней инфракрасной области спектра на длинах волн 2,5-5,0 мкм. Для изготовления оптического покрытия использовались полупроводниковые халькогенидные стекла систем As-S-Se, As-Sb-S-Se, Ge-Sb-S, Ge-Bi-S, компоненты которых взяты в соответствующих пропорциях с обеспечением заранее заданного значения показателя преломления. Показатель преломления халькогенидных стекол на длине волны l=4,0 мкм в зависимости от состава компонентов изменялся от 2,0 до 2,7. При этом толщина основы оптического покрытия превышает высоту его удлиненной полусферы не менее чем в два раза.
Однако халькогенидные стекла указанных систем являются очень тугоплавкими и имеют высокую температуру текучести, что ограничивает их использование с точки зрения перегрева диодных гетерост-руктур, приводящего к существенному ухудшению их характеристик, а плохая смачиваемость ограничивает их использование с точки зрения типов применяемых корпусов, в частности халькогенидные стекла указанных систем не могу быть использованы с плоскими корпусами.
Из уровня техники известен способ нанесения оптического покрытия на основе многокомпонентных халькогенидных стекол (UA33848, G01D5/26, публ. 10.07.2008). Согласно известному способу измельченные кусочки халькогенидного стекла засыпают в кварцевый реактор, задают температуру, которая не менее чем на 100К превышает температуру размягчения халькогенидного стекла соответствующего химического состава. Одновременно подогревают активный элемент до температуры, которая примерно на 10К ниже температуры плавления припоя электрических контактов к активному элементу, обеспечивая тем самым заданную форму и хорошую адгезию оптического покрытия к активному элементу. Для халькогенидных стеклообразных сплавов системы Pb-Ge-Se температура нагревателя составляет 650К, а для стекол системы Ge-Ga-Se температура составляет 570К. В процессе прохождения кварцевого реактора сквозь тепловую зону нагревателя имеющиеся в нем кусочки халькогенидного стекла размягчаются. Под действием силы тяжести через нижнее отверстие реактора капля падает на активный элемент. Далее, под действием сил поверхностного натяжения и вязкости халькогенидного стекла и адгезионной способности смачивания активного элемента оптическое покрытие приобретает радиально симметричную форму. Благодаря вертикальному перемещению капли халькогенидного стекла при ее контакте с поверхностью активного элемента происходит образование объемного оптического покрытия без воздушных прослоек между стеклом и кристаллом и без нарушения электрических контактов. По завершении процесса кварцевый реактор перемещают вертикально вверх за зону действия нагревателей, а активный элемент с нанесенным оптическим покрытием перемещают горизонтально за предел действия нагревателя, где происходит его охлаждение до комнатной температуры.
Однако халькогенидные стекла, используемые в известном способе нанесения оптического покрытия, имеют высокую температуру текучести, следовательно, нанесение на полупроводниковый чип стекла, нагретого до такой температуры, очень негативно сказывается на структуре р-n перехода этого полупроводникового чипа.
Кроме того, при использовании известного способа требуется предпринимать дополнительные меры для обеспечения прецизионного центрирования отверстия реактора относительно полупроводниково
го чипа для обеспечения оптического покрытия, симметричного относительно своей продольной оси.
Известен также инфракрасный газовый сенсор для определения наиболее распространенных загрязняющих атмосферных газов, таких как СО, СО2, СН4, NO (UA 90194, публ. 12.04.2010). Известное устройство содержит рабочую кювету, имеющую входной и выходной каналы для анализируемой среды и параболическое зеркало. Кроме того, устройство содержит два идентичных источника инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения с оптическим фильтром, которые расположены на одной стороне рабочей кюветы. Источники инфракрасного излучения содержат оптическое покрытие, выполненное из халькогенидного стекла систем Ge(Pb)-Sb(Bi, Ga)-S(Se).
Однако известное устройство имеет значительные габариты, так как его диаметр определяется расположением в одной плоскости основания двух источников инфракрасного излучения и одного приемника инфракрасного излучения, каждый из которых расположен в отдельном корпусе. Кроме того, требуется применение дополнительных оптических фильтров, а также параболических зеркал.
Из уровня техники известен газовый анализатор (US 2001048079, G01N21/35, публ. 06.12.2001), выбранный в качестве прототипа, который содержит, по существу, цилиндрический полый корпус, имеющий входной и выходной каналы для анализируемого газа. На внутреннюю поверхность корпуса нанесено металлическое покрытие, выполненное с возможностью отражения инфракрасного излучения. Кроме того, газовый анализатор содержит источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения, расположенные на противоположных концах корпуса на одной оптической оси. В качества источников инфракрасного излучения использованы недисперсионные источники инфракрасного излучения (NDIR). Данные источники излучения имеют широкую спектральную полосу, следовательно, для выделения нужного спектрального диапазона для определения конкретного химического вещества требуется использовать соответствующие оптические фильтры. Кроме того, подобные источники излучения подвержены сильному нагреву, что может снизить точность выполняемых измерений, а также имеют большое энергопотребление.
Задачей настоящего изобретения является создание миниатюрного устройства для определения химических веществ в анализируемой среде, имеющего высокую чувствительность, точность измерений и низкое электропотребление.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предложен полупроводниковый диод для среднего инфракрасного диапазона спектра, содержащий по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе сложной полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, при этом халькогенидная система дополнительно содержит по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в снижении температуры текучести материала оптического покрытия. Благодаря этому снижается воздействие высоких температур на полупроводниковые чипы в процессе производства источников и приемников инфракрасного излучения, и, следовательно, снижается вероятность появления дефектов р-n переходов под действием высоких температур.
Кроме того, технический результат заключается в повышении качества создаваемого оптического покрытия. Данное повышение качества достигается благодаря тому, что стекло с указанным составом обладает низкой кристаллизационной способностью, является однородным по структуре, обеспечивает высокое качество капли без пузырей и свилей.
Гетероструктура может представлять собой структуру GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb/GaSb, InAs/InAs Sb/InSbP или InAs/InSbP/InAsSbP.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ формирования оптического покрытия полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра, согласно которому берут материал на основе сложных полупроводниковых халькогенидных систем, нагревают этот материал до температуры текучести материала и наносят нагретый материал на полупроводниковый чип, после чего осуществляют охлаждение полученного оптического покрытия, причем указанный материал представляет собой сложную полупроводниковую халькогенидную систему, содержащую As, S, Se и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы I, Br, Cl.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения нанесение нагретого материала может выполняться капельным путем. В этом случае указанный материал берут в количестве, превышающем количество материала, требуемого для формирования оптического покрытия, а после нанесения указанного материала на полупроводниковый чип его переворачивают с обеспечением стекания избыточного количества материла и формирования оптического покрытия радиально симметричной формы.
Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения перед нанесением материала располагают полупроводниковый диод в положении, при котором его поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, обращена вниз, а нанесение материала выполняют приведением в контакт указанной поверхности полупроводникового диода с поверхностью материала с обеспечением смачивания этой поверхности полупроводникового диода материалом, после чего извлекают полупроводниковый
диод и обеспечивают стекание избыточного количества материала с формированием оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму.
Согласно еще одному варианту реализации предложенного способа заполняют материалом форму, имеющую выемку, конфигурация которой соответствует требуемой конфигурации оптического покрытия, располагают полупроводниковый диод в положении, при котором его поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, обращена вниз, а несение материала осуществляют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового диода с поверхностью материала в указанной выемке, при этом охлаждение оптического покрытия осуществляют в указанной форме, после чего полупроводниковый диод извлекают.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложено устройство для определения химических веществ в анализируемой среде, содержащее трубчатый корпус, в котором выполнены входной и выходной каналы для анализируемой среды, по меньшей мере один источник инфракрасного излучения, установленный на одном конце корпуса, и по меньшей мере один приемник инфракрасного излучения, установленный на другом конце корпуса, при этом источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения расположены на одной оптической оси, которая совпадает с продольной осью трубчатого корпуса, и спектрально согласованы друг с другом, при этом источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения выполнены на основе полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра, содержащего по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе сложной полупроводниковой халь-когенидной системы, содержащей As, S, Se и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl.
В корпусе устройства может быть дополнительно установлена светоотражающая трубка.
Кроме того, устройство может дополнительно содержать по меньшей мере один конический рефлектор, расположенный на источнике инфракрасного излучения или приемнике инфракрасного излучения. В другом случае устройство может дополнительно содержать два конических рефлектора, один из которых расположен на источнике инфракрасного излучения, а другой расположен на приемнике инфракрасного излучения.
Устройство также может дополнительно содержать опорный приемник излучения.
Другие аспекты настоящего изобретения могут быть понятны из последующего описания предпочтительных вариантов реализации и чертежей.
Краткое описание чертежей
Далее приведено подробное описание возможных вариантов выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых
на фиг. 1 изображен вид сбоку в разрезе полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 изображен вид сбоку в разрезе полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра еще в одном варианте выполнения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 изображен вид сбоку в разрезе полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра еще в одном варианте выполнения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 изображен вид сбоку в разрезе полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра еще в одном варианте выполнения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 изображен вид сбоку в разрезе устройства определения химических веществ в анализируемой среде согласно настоящему изобретению;
на фиг. 6 изображен вид сбоку в разрезе предлагаемого устройства определения химических веществ в анализируемой среде еще в одном варианте выполнения согласно настоящему изобретению, оснащенного коническими рефлекторами;
на фиг. 7 изображен вид сбоку в разрезе устройства, изображенного на фиг. 6, дополнительно содержащего опорный приемник излучения;
на фиг. 8 схематически изображена установка для нанесения оптического покрытия согласно одному варианту реализации способа нанесения оптического покрытия на полупроводниковый диод;
на фиг. 9 схематически изображена последовательность формирования оптического покрытия в установке, показанной на фиг. 8, после переворота полупроводникового диода.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Как показано на фиг. 1-4, предлагаемый полупроводниковый диод для среднего инфракрасного диапазона спектра содержит теплопроводное основание 1, полупроводниковый чип 2, размещенный на указанном основании, и оптическое покрытие 3. Оптическое покрытие 3 выполнено из материала на основе сложных полупроводниковых халькогенидных стекол системы As-S-Se, которая дополнительно содержит по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. Также может быть использована система Sb-S-Se, также содержащая по меньшей мере один галоген, выбираемый из указанной группы.
Согласно проведенным испытаниям требуемые характеристики халькогенидного стекла могут быть
получены при содержании As в количестве 5-50% от общего объема, S в количестве 10-50% от общего объема, Se в количестве 30-70% от общего объема. Количество по меньшей мере одного галогена, выбираемого из группы, содержащей I, В, Cl, должно составлять до 20% от общего объема. В случае одновременного использования двух или трех из указанных галогенов их суммарное количество также должно составлять до 20% от общего объема.
Добавление в состав халькогенидного стекла по меньшей мере одного из указанных галогенов, например I, позволяет достичь температуры стеклования около 35°С и температуры текучести до 140-160°С. При этом варьирование концентраций элементов системы, а также количества используемых галогенов, позволяет менять температуру стеклования в широком диапазоне температур. Такое снижение температур стеклования и текучести делает процесс нанесения стекла или капсулирования более технологичным, менее требовательным к оборудованию для разогрева состава. Кроме того, уменьшается процент брака готовых изделий за счет снижения влияния термического удара на полупроводниковую структуру и ее электрические контакты, что позволяет расширить диапазон применения стекла для более чувствительных к термическому удару полупроводниковых материалов. Кроме того, стекло с указанным составом обладает низкой кристаллизационной способностью, является однородным по структуре, обеспечивает высокое качество капли без пузырей и свилей.
Нанесение оптического покрытия из халькогенидного стекла позволяет сузить диаграмму направленности примерно до 30° и увеличить внешний квантовый выход до 6 раз.
Стекло рассматриваемых систем As(Sb)-S-Se-I(Br,Cl) может быть использовано в качестве просветляющего покрытия полупроводниковых диодов для среднего инфракрасного диапазона спектра, работающих в спектральном диапазоне 1,6-5,0 мкм. Оно прозрачно в спектральном диапазоне 0,73-10 мкм, а показатель преломления составляет 2,4 на длине волны 0,8 мкм.
Теплопроводное основание 1 может быть представлено стандартными корпусами ТО-18, ТО-5, ТО-8 и ТО-39, которые отличаются диаметром и количеством выводов, а также SMD корпусами для поверхностного монтажа с диаметрами 3 или 5 мм.
Предложенная конструкция диода может быть использована для создания как светодиодов, так и фотодиодов. При этом в качестве полупроводникового чипа 2 используется соответственно светодиодный чип или фотодиодный чип.
Для изготовления светодиода согласно настоящему изобретению может быть использована светодиодная пластина с длиной волны максимума излучения в спектральном диапазоне 1,8-2,4 мкм на основе гетероструктуры, включающей последовательно расположенные подложку, содержащую GaSb, буферный слой, содержащий твердый раствор GaInAsSb, активный слой, содержащий твердый раствор GaInAsSb, ограничительный слой, содержащий твердый раствор AlGaAsSb, и контактный слой GaSb. Технология изготовления данной гетероструктуры описана в Евразийском патенте № 018300 "Гетерост-руктура на основе твердого раствора GaInAsSb, способ ее изготовления и светодиод на основе этой гете-роструктуры" настоящего заявителя.
В процессе изготовления светодиода пластину разделяют на отдельные чипы, которые монтируются на стандартные корпуса для оптоэлектроники типа ТО-18, ТО-39, ТО-8, SMD (фиг. 1-3). Далее выполняют разварку или распайку электрических контактов. После этого наносят на полученный светодиод халькогенидное стекло, например, системы As-S-Se-I.
При необходимости создания электроизоляции чипа от корпуса может быть использована кремниевая или керамическая подложка 4 (фиг. 3).
Кроме того, для изготовления светодиода согласно настоящему изобретению может быть использована светодиодная пластина с длиной волны максимума излучения в спектральном диапазоне 2,6-3,1 мкм, на основе гетероструктуры, включающей последовательно расположенные подложку, содержащую InAs, барьерный слой, содержащий InSbP, активный слой, содержащий InAsSbP. Технология изготовления данной гетероструктуры описана в Евразийском патенте № 018435 "Способ изготовления гетерост-руктур (варианты) для среднего ИК-диапазона, гетероструктура (варианты) и светодиод и фотодиод на основе этой гетероструктуры" настоящего заявителя.
Типы используемых корпусов и системы халькогенидного стекла аналогичны используемым в предыдущем варианте выполнения светодиода.
Для изготовления фотодиода согласно настоящему изобретению может быть использована фотодиодная пластина с длиной волны максимума излучения в спектральном диапазоне 3,1-4,7 мкм на основе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные подложку, содержащую InAs, активный слой, содержащий InAsSb, и барьерный слой, содержащий InSbP. Технология изготовления указанной гетероструктуры описана в Евразийском патенте № 018435 "Способ изготовления гетероструктур (варианты) для среднего ИК-диапазона, гетероструктура (варианты) и светодиод и фотодиод на основе этой гетероструктуры" настоящего заявителя.
Типы используемых корпусов и систем халькогенидного стекла аналогичны используемым в предыдущем варианте выполнения фотодиода.
В другом варианте выполнения фотодиода используют фотодиодную пластину с красной границей фоточувствительности 2,4-2,5 мкм на основе гетероструктуры, технология изготовления которой описана
в Евразийском патенте № 018300 "Гетероструктура на основе твердого раствора GaInAsSb, способ ее изготовления и светодиод на основе этой гетероструктуры" настоящего заявителя. Указанная гетерост-руктура содержит последовательно расположенные подложку, содержащую GaSb, активный слой, содержащий GaInAsSb, слои электрического и оптического ограничения, содержащие AlGaAsSb, и контактный слой, содержащий GaSb. Далее методами фотолитографии формируют фотодиодные чипы с диаметром светочувствительной площадки 0,2, 0,5, 1 и 2 мм. Далее пластину разделяются на отдельные чипы, производят монтаж на корпуса и выполняют их заливку халькогенидным стеклом. Типы используемых корпусов и систем халькогенидного стекла аналогичны используемым в предыдущем варианте выполнения фотодиода.
Вариант выполнения предложенного устройства для определения химических веществ в анализируемой среде показан на фиг. 5. Устройство содержит трубчатый корпус 5, оснащенный входным и выходным каналами 6 для анализируемой среды. Устройство также содержит по меньшей мере один источник 7 инфракрасного излучения, размещенный на одном конце корпуса 5, и по меньшей мере один приемник 8 инфракрасного излучения, размещенный на противоположном конце корпуса 5. Указанные источник 7 и приемник 8 вклеены в оправы 9 и 10 соответственно, которые, в свою очередь, установлены в корпусе 5 на противоположных концах. При этом указанные источник 7 и приемник 8 инфракрасного излучения находятся на одной оптической оси, совпадающей с осью корпуса 5.
Источник 7 и приемник 8 инфракрасного излучения выполнены, как описано выше, со ссылками на фиг. 1-4. При этом источник 7 и приемник 8 инфракрасного излучения выбирают таким образом, чтобы они были спектрально согласованы друг с другом. В частности, если источник инфракрасного излучения работает в диапазоне 1,8-2,4 мкм, то приемник инфракрасного излучения должен иметь красную границу 2,4-2,5 мкм. Если же источник излучает на 2,8-3,6 мкм, то приемник должен иметь красную границу 3,6 мкм и т.д.
При необходимости в предлагаемом устройстве может быть выполнено более одного источника инфракрасного излучения и более одного приемника инфракрасного излучения (не показано).
Кроме того, в корпусе может быть установлена светоотражающая трубка 11, размещенная соосно с ним. Светоотражающая трубка 11 может иметь, по существу, цилиндрическую форму, а ее длина может достигать 20 см и более. При этом диаметр трубки остается практически постоянным и может составлять от 2 до 9 мм.
Для обеспечения высокой отражающей способности внутренней поверхности трубки 11 она может быть выполнена из нержавеющей стали с электрической полировкой и иметь коэффициент отражения внутренней поверхности не ниже 90%. Кроме того, может быть выполнена металлизация внутренней поверхности трубки 11.
Кроме того, предлагаемое устройство может быть дополнительно оснащено по меньшей мере одним коническим рефлектором 12, устанавливаемым на стороне источника 7 инфракрасного излучения или приемника 8 инфракрасного излучения. Еще в одном варианте выполнения, показанном на фиг. 6, устройство может иметь два конических рефлектора, один из которых расположен на стороне источника 7, а другой - на стороне приемника 8.
Конический рефлектор изготавливается из материала, имеющего высокий коэффициент отражения, в частности могут быть использованы дюралюминий или нержавеющая сталь, что позволяет снизить потери излучения.
Использование конического рефлектора позволяет дополнительно сузить диаграмму направленности источника и/или приемника инфракрасного излучения.
На фиг. 7 показан еще один вариант выполнения устройства, который отличается от варианта, показанного на фиг. 6, наличием дополнительного опорного приемника 13 излучения, размещенного, например, в корпусе конического рефлектора. В качестве опорного приемника излучения предпочтительно используют фотодиод. Опорный приемник излучения предпочтительно размещают как можно ближе к источнику инфракрасного излучения, при этом он должен располагаться между источником инфракрасного излучения и каналом 6 для газа, ближайшим к этому источнику инфракрасного излучения. Поскольку измерения проводятся в атмосфере исследуемого газа, то часть излучения поглощается. Поэтому чем меньше оптический путь, тем меньше будет поглощение. Следовательно, для получения информации об исходном (непоглощенном) излучении от источника инфракрасного излучения опорный приемник должен находится ближе к этому источнику излучения. Фактическое размещение опорного приемника излучения ограничивается конструктивными особенностями системы, а именно размером чипов, типом используемых корпусов и электрической разводкой контактов. На фиг. 7 пунктирными линиями также условно показан ход лучей в устройстве с установленным опорным приемником излучения.
Предлагаемое устройство согласно одному из рассматриваемых вариантов реализации работает следующим образом. Питание источника 7 инфракрасного излучения и синхронизация его работы с работой синхронного детектора производится от импульсного источника тока. При подаче тока на источник 7 он начинает излучать. Указанное излучение собирается в пучок с помощью оптического покрытия. Кроме того, пучок излучения может быть дополнительно сужен с помощью конического рефлектора. Далее излучение проходит через корпус 5 в направлении приемника 8 инфракрасного излучения. В слу
чае использования в конструкции устройства опорного приемника 13 инфракрасного излучения часть указанного излучения поступает на этот опорный приемник 13. При подаче в рассматриваемое устройство анализируемой среды происходит частичное поглощение указанного излучения исследуемым химическим веществом. Далее излучение поступает на приемник 8 инфракрасного излучения.
Ток, получаемый с приемника 8 инфракрасного излучения, преобразуют в напряжение, затем последовательно выполняют усиление сигнала посредством предусилителя и его выпрямление посредством синхронного детектора. После чего сигнал поступает на регистрирующее устройство, выполненное с возможностью математической обработки сигнала, например компьютер. При этом выполняют сравнение обработанного сигнала с эталонным значением, измеренным в условиях чистой атмосферы и заложенным в программу математической обработки сигнала.
В случае если дополнительно используется опорный приемник излучения, соотношение сигналов опорного приемника и измерительного приемника позволяет сделать вывод о концентрации исследуемого химического вещества.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления оптического покрытия полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра, который заключается в следующем. Берут материал на основе сложной полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. При этом указанный материал берут в количестве, превышающем количество материала, требуемого для формирования оптического покрытия, затем нагревают этот материал до температуры текучести материала и наносят нагретый материал на полупроводниковый чип, после чего осуществляют охлаждение полученного оптического покрытия.
Согласно одному варианту реализации способа нанесения оптического покрытия нанесение выполняют капельным путем, а после нанесения указанного материала на полупроводниковый чип переворачивают его с обеспечением стекания избыточного количества материла. При этом количество избыточного материала определяют исходя из равновесия силы тяжести, действующей на каплю, и силы адгезии материала к чипу.
Предложенный способ изготовления оптического покрытия полупроводникового диода может быть реализован с помощью установки, показанной на фиг. 8. Данная установка содержит тепловой шкаф 14 со стеклянной дверцей, внутри которого на рельсах 15 располагается платформа 16, предназначенная для крепления полупроводниковых диодов 17. К платформе подключен манипулятор 18, позволяющий осуществлять перемещение платформы вправо и влево, как показано стрелкой А, а также переворот платформы на 180° внутри печи. Благодаря использованию подобного манипулятора размещение партии полупроводниковых диодов на платформе и последовательное нанесение стекла на них может выполняться без перезагрузки печи, что позволяет значительно снизить временные затраты на производство полупроводниковых диодов.
В верхней части шкафа размещен кварцевый реактор 19, который предварительно заполнен легкоплавким халькогенидным стеклом 20 согласно настоящему изобретению.
К реактору подведен дозатор 21, выполненный с возможностью создания давления по команде. Дозатор предпочтительно выполнен с возможностью контроля величины давления посредством рукоятки 22, времени подачи давления посредством рукоятки 23, а также величины обратного давления посредством рукоятки 24. Последняя регулировка предотвращает несанкционированное попадание стекла на платформу. В качестве такого дозатора может быть использован представленный на рынке дозатор DSPE501A-LF фирмы Fisnar. Указанный дозатор позволяет осуществлять прецизионное управление массой капли. К дозатору 21 подсоединены ресивер и насос 25.
Преимуществом данной системы является ее герметичность, что позволяет исключить попадание грязи, пыли и др. в стекло, а с другой стороны - вредных паров в организм человека. Для создания чистой атмосферы внутри шкафа осуществляют продувку аргоном или азотом.
После нанесения капли на полупроводниковый чип кварцевый реактор со стеклом поднимается вверх, как показано стрелкой В, и платформа с диодами переворачивается на 180° при помощи манипулятора 18 (фиг. 8). Излишек стекла стекает вниз, образуя под действием сил поверхностного натяжения оптическое покрытие радиально симметричной формы. На фиг. 9 показана последовательность формирования радиально симметричной формы оптического покрытия после переворота полупроводникового диода. Данный метод нанесения стекла позволяет обеспечить хорошую повторяемость формы и воспроизводимость оптических характеристик источников и приемников инфракрасного излучения.
В результате испытаний было выяснено, что при массе капли 23-25 г достигалось наилучшее улучшение интегральной оптической мощности и пространственного распределения излучения в 5-10 раз.
Согласно другому варианту реализации перед нанесением материала располагают полупроводниковый диод в положении, при котором его поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, обращена вниз, а нанесение материала выполняют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового диода с поверхностью материала с обеспечением смачивания этой поверхности полупроводникового диода материалом. Далее извлекают полупроводниковый диод и обеспечивают стекание избыточного количества материала. При этом под действием сил поверхностного натяжения
формируется оптическое покрытие, имеющее радиально симметричную форму. Далее выполняют охлаждение сформированного оптического покрытия. В рассматриваемом варианте реализации оптическое покрытие перекрывает всю поверхность полупроводникового диода, на которой расположен чип.
Согласно еще одному варианту реализации заполняют материалом форму, имеющую выемку, конфигурация которой соответствует требуемой конфигурации оптического покрытия, располагают полупроводниковый диод в положении, при котором его поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, обращена вниз, а несение материала осуществляют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового диода с поверхностью материала в указанной выемке, при этом охлаждение оптического покрытия осуществляют в указанной форме, после чего полупроводниковый диод извлекают.
Использование стекол предлагаемых халькогенидных систем позволяет увеличить внешний квантовый выход светодиода благодаря тому, что нанесение стекла уменьшает угол полного внутреннего отражения, и из чипа выходит наружу больше излучения, чем в отсутствие стекла, так называемый эффект просветления. Кроме того, происходит сужение диаграммы направленности за счет формы стекла. В конечном итоге фотодиод согласно настоящему изобретению может поймать в 10 раз больше оптической мощности.
Халькогенидное стекло предлагаемых систем является низкотемпературным и может быть нанесено на корпуса любых типов: плоские, с лункой, для поверхностного монтажа (SMD).
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящего изобретения, определенный формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Полупроводниковое устройство, такое как светодиод или фотодиод, для среднего инфракрасного диапазона спектра, содержащее по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, причем халькогенидная система дополнительно содержит по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl.
2. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру
GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb/GaSb.
3. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру
InAs/InAsSb/InSbP.
4. Полупроводниковое устройство по п.1, в котором гетероструктура представляет собой структуру
InAs/InSbP/InAsSbP.
5. Способ нанесения оптического покрытия на полупроводниковое устройство, такое как светодиод или фотодиод, для среднего инфракрасного диапазона спектра, согласно которому материал, представляющий собой полупроводниковую халькогенидную систему, содержащую As, S, Se и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl, нагревают до температуры текучести материала, наносят нагретый материал на полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, после чего осуществляют охлаждение полученного оптического покрытия.
6. Способ по п.5, согласно которому нанесение указанного нагретого материала выполняют капельным путем, при этом указанный материал наносят в количестве, превышающем необходимое количество, требуемое для формирования оптического покрытия, после нанесения указанного материала на полупроводниковый чип указанный чип переворачивают с обеспечением стекания избыточного количества материала и формирования оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму.
7. Способ по п.5, согласно которому перед нанесением указанного материала располагают полупроводниковое устройство в положении, при котором его поверхность, на которую наносят покрытие, является нижней, нанесение указанного материала выполняют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового устройства с указанным материалом с обеспечением смачивания указанной поверхности полупроводникового устройства указанным материалом, после чего извлекают полупроводниковое устройство и обеспечивают стекание избыточного количества указанного материала с формированием оптического покрытия, имеющего радиально симметричную форму.
8. Способ по п.5, согласно которому заполняют указанным материалом форму, имеющую выемку, конфигурация которой соответствует требуемой конфигурации оптического покрытия, располагают полупроводниковое устройство в положении, при котором поверхность, на которой размещен полупроводниковый чип, является нижней, а нанесение материала осуществляют посредством приведения в контакт указанной поверхности полупроводникового устройства с указанным материалом в указанной выемке, при этом охлаждение оптического покрытия осуществляют в указанной форме, после чего полупроводниковое устройство извлекают.
9. Устройство для определения химического состава веществ в анализируемой среде, содержащее
трубчатый корпус, в котором выполнены
входной и выходной каналы, обеспечивающие циркуляцию анализируемой среды, по меньшей мере один источник инфракрасного излучения, установленный на одном конце корпуса,
и по меньшей мере один приемник инфракрасного излучения, установленный на другом конце корпуса,
при этом источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения расположены на одной оптической оси, которая совпадает с продольной осью трубчатого корпуса, и спектрально согласованы друг с другом,
причем источник инфракрасного излучения и приемник инфракрасного излучения выполнены на основе полупроводникового устройства по любому из пп.1-4.
10. Устройство по п.9, в котором в корпусе дополнительно установлена светоотражающая трубка.
11. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит по меньшей мере один конический рефлектор, расположенный на источнике инфракрасного излучения или приемнике инфракрасного излучения.
12. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит два конических рефлектора, один из которых расположен на источнике инфракрасного излучения, а другой расположен на приемнике инфракрасного излучения.
13. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит опорный приемник излучения.
4 4
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
027273
- 1 -
(19)
027273
- 1 -
(19)
027273
- 1 -
(19)
027273
- 4 -
027273
- 9 -
027273
- 10 -
|
