дийков лев кузьмич

Область техники.Группа изобретений относится к полупроводниковым приборам, генерирующим и преобразующим инфракрасное излучение в спектральном диапазоне 0,5-5 мкм. Она предназначена для использования, главным образом, в спектрально-аналитической, пирометрической и тепловизионной аппаратуре.Уровень техники.Поскольку предлагаемая заявка содержит группу изобретений, образующих общий творческий замысел - фотолюминесцентный излучатель, полупроводниковый фотоэлемент и оптрон, - обзор уровня техники проведен отдельно по каждому названному объекту.А) Фотолюминесцентные излучателиИзвестны полупроводниковые структуры, в которых инфракрасное излучение в спектральном диапазоне 2,0-5,0 мкм создается в результате электролюминесценции. В качестве излучающего материала в них применены сложные многокомпонентные полупроводники, например In As Sb/In As SbP/InAs. Излучение в таких структурах связано с протеканием через р-n переход больших рабочих токов. Эти структуры отличаются малой временной стабильностью, высокой стоимостью и большой трудоемкостью в изготовлении. Кроме того, в ряде случаев для своей работы они требуют глубокого охлаждения (Стоянов Н.Д. Оптоэлектронные приборы для экологического мониторинга в спектральном диапазоне 2-5 мкм, I WRFRI, сборник тезисов 2000 г., стр 52, В. Matveev et al «In As SbP /InAs LEDs for the 3.3-5.5 m spectral range» IEE Proceedings, Optoelectronics, Vol 145 (5) pp 254-256, 1998).Известен другой тип люминесценции - фотолюминесценция, когда коротковолновое излучение поглощается полупроводниковым материалом, а затем вторично излучается, но уже в виде длинноволнового излучения. Примером таких структур могут быть слои, излучающим материалом в которых является CdHgTe с добавками В, Ве, Al. (Иванов-Омский и др. «Люминесценция имплантированных слоев Cd0,38Hg0,62Те и структур на их основе», Физика и техника полупроводников, том 25, вып. 6, 1991). Однако для возбуждения фотолюминесценции в этих слоях необходимо применить в качестве первичного источника лазер на основе Nd:YAG с плотностью потока 500 Вт/см2, что полностью исключает возможность их практического применения.Известно также решение, в котором излучение от светодиода на основе GaAs преобразуется в излучение с длиной волны, отличной от первичного излучения (Geusic J.E et al. «Efficiencey of Red. Green and Blue infrared-tu-ViasibI Conversion Soures» J. Appl. Phys., 42, 1971). Но это вариант превращения ближнего ИК излучения в видимое, а не в более длинноволновое - инфракрасное.В патенте RU 2000119620 (опубликован 2002.06.20) описан инфракрасный полупроводниковый излучатель, состоящий из полупроводникового диода, излучающего коротковолновое излучение, и чередующихся попеременно 2-20 слоев окисла и полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенной зоны. Многослойность структуры позволяет расширить полосу спектра излучения, но при этом снижает его эффективность из-за многократного отражения на границах материалов с сильно отличающимися показателями преломления.Лучший из известных нам излучателей, который нашел практическое применение, содержит электролюминесцентный диод из арсенида, излучающий в спектральном диапазоне 0,7-0,9 мкм, и фотолюминесцентное покрытие в виде поликристаллического слоя из селенида. Излучатель генерирует вторичное излучение для единственного интервала длин волн с максимумом на 3,8 мкм и обладает невысокой мощностью и силой излучения (12 мкВт/ср). Такие излучатели освоены в производстве (ИЛ151, АДБК 432228 024ТУ, ОКП 63 4950 7571, группа Э23, 1991 г.) и применяются в промышленности. Это решение - наиболее близкий аналог заявляемого фотолюминесцентного излучателя, т.е. его прототип.Приведенный обзор показывает, что для ряда применений известные решения недостаточно пригодны. В частности, практика требует создания серии фотолюминесцентных излучателей, рассчитанных на различные интервалы длин волн, например с максимумами, соответствующими полосам поглощения веществ, являющихся объектом для исследования спектрально-аналитической аппаратурой. Важной проблемой является обеспечение возможности управления быстродействием излучателя. И, естественно, всегда актуальны поиски новых путей увеличения мощности и силы излучения фотолюминесцентных излучателей, особенно в диапазоне длин волн 2-5 мкм.Б) Полупроводниковые фотоэлементыИзвестны полупроводниковые фотоэлементы, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию. Общие современные принципы построения таких фотоэлементов изложены в монографиях: T.J Coutts «Current Topic in Photovoltaics» Acadendemic Press, London, Orlando, Tokio 1985, и Roger Messenger «Photovoltaic Sistems Engineering», Boca Raton, London, New York, Washington, 2001.Наибольшее распространение среди них получили фотоэлементы, использующие в качестве полупроводникового материала кремний в виде аморфных или поликристаллических пленок толщиной 0,5-1,0 мкм, нанесенных на стеклянную подложку с сформированным в них p-i-n или р-n переходами (Kroon M.F. et al "Study of the Design of the -Si:H Transverse Junction Solar Cell - Proc.of the 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solor Energy Conversion"). Однако малая подвижность носителей тока не позволяет реализовать в таких структурах необходимую диффузионную длину, что в конечном счете приводит к заниженным значениям КПД преобразования световой энергии в электрическую.Существует техническое решение, когда аналогичное преобразование энергий осуществляется в слоях на основе CuGaSe2, нанесенных на стеклянную подложку (М. Мейтин, «Фотовольтаика: материалы, технология, перспективы», Электроника, 6 2000 г.). При всей перспективности этого материала, связанной с его высокой технологичностью, максимальный КПД, достигнутый к настоящему времени, составляет 2,3%.Хорошо известными и широко распространенными являются преобразователи в виде полупроводникового фотоэлемента на основе селена: Ф-32С - Ф55С (М.Д.Аксененко и М.Л.Бараночников "Приемники оптического излучения" Справочник, Радио и связь). Эти фотоэлементы представляют собой многослойные структуры с р-n переходом из селена р-типа и селенида кадмия n-типа. Токовая чувствительность таких приборов - 0,35 А/Вт, но малый гарантийный ресурс работы, составляющий всего 1000 часов, ограниченный рабочий температурный диапазон (от -20°С до +45°С), наличие эффекта усталости существенно сужают сферу их практического применения.У всех описанных выше фотоэлементов область спектральной чувствительности ограничена интервалом длин волн 0,5-1,1 мкм.Известно техническое решение, когда спектральный диапазон преобразуемого излучения соответствует 1,5-5,5 мкм (Infrared Detectors, Hamamatsu Photonics К.К., Solid State Division, Japon 1997, nov. 2001). Описываются фотогальванические приемники излучения на основе полупроводникового материала InSb, выполненного в виде слоев n и р-типов. Пересчитанная интегральная токовая чувствительность составляет величину 0,5 А/Вт. Однако эти параметры обеспечиваются только при температуре жидкого азота, что не позволяет использовать такие преобразователи в большинстве из возможных промышленных применений.Известно описание полупроводниковых планарных структур на основе барьера Шоттки, в которых в качестве полупроводникового материала используется селенид свинца р-типа. Материал в виде монокристаллического эпитаксиального слоя наносится на диэлектрическую подложку из высокоомного кремния с подслоем фтористого кальция. Омический контакт выполнен из золота, а неомический - из селенида свинца n-типа с подслоем свинца. Облучение может вестись через подложку, при этом засвечивается как часть слоя, находящаяся под выпрямляющим электродом, так и часть, примыкающая к нему на расстоянии диффузионной длины. Направленное изменение положения длины волны максимума спектральной чувствительности и длинноволновой границы спектральной чувствительности от 5 до 12 мкм осуществлялось за счет введения в селенид свинца добавок селенида олова в концентрации 0-5 мол.%. На этих структурах был реализован фотогальванический эффект и осуществлено преобразование инфракрасного излучения с длиной волны 2-12 мкм в фотоЭДС. Однако это преобразование могло быть осуществлено только при охлаждении структуры жидким азотом, а сами образцы относятся к разряду лабораторных (Н.Zogg. J. John, A. Fach «Photovoltaic lead-chalcogenide on silicon infrared focal plane array» Phin Film Phisics Group. Institute of Quantum Electronics, Zurich. pp 67-75, 2001). Это решение - наиболее близкий аналог заявляемого фотоэлемента, т.е. его прототип.Приведенный обзор показывает, что известные полупроводниковые фотоэлементы либо не работают в диапазоне длин волн более 1,1 мкм, либо очень сложны и дороги для подавляющего большинства практических применений. Практика требует создания серии фотоэлементов, рассчитанных на различные интервалы длин волн с максимумами, в частности, соответствующими полосам поглощения веществ, являющихся объектом для исследования инфракрасной спектрально-аналитической аппаратурой, а также соответствующим спектрам излучения практически значимых источников излучения в спектральном диапазоне 0,5-5 мкм. Важной проблемой является возможность управлять быстродействием фотоэлемента. Всегда актуальны поиски путей повышения чувствительности фотоэлемента.В) ОптроныИзвестны технические решения, когда функционально объединены и оптически связаны между собой излучатель и приемник излучения, получившие общее название «оптопара». (Ю.Р.Носов, А.С.Сидоров «Оптроны и их применение», Москва, Радио и связь, 1981 г.). Особое место среди них занимают оптроны, в которых оптическая связь между излучателем и приемником осуществляется по открытому оптическому каналу. Все известные оптроны работают в спектральном диапазоне 0,5 до 1,1 мкм, а наличие свободного пространства между ними позволяет размещать или перемещать там непрозрачные подвижные объекты. Таким образом можно осуществлять счет деталей на конвейере, определять момент их появления или фиксировать размеры. Одной из разновидностей оптрона является такой, в котором излучатель и два контрольных фотоприемника расположены в одной плоскости, а излучение от излучателя попадает на фотоприемники за счет отражающего зеркала (В.И.Иванов, А.М.Юшин, А.И.Аксенов «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы», Москва, Энергоатомиздат, 1984 г., стр. 162). Эти оптроны нашли применение в промышленности и выпускались серийно (АОР113А, АОРС113А, технические условия аАО336.339ТУ). В состав такого оптрона входят электролюминесцентный излучатель в виде излучающего электролюминесцентного фотодиода и два фоторезистора, работающих в спектральном диапазоне 0,5-0,8 мкм. Излучение от излучателя попадает через открытый оптический канал на вогнутое зеркало, отражается от него и засвечивает равномерно оба фоторезистора таким образом, что их сопротивления оказываются равными. При изменении положения зеркала относительно элементов такого оптрона или при появлении какой-либо неоднородности в оптической среде открытого канала меняется освещенность на каждом из фоторезисторов и появляющаяся разность сопротивлений оказывается пропорциональной величине этого изменения. Такая конструкция оптрона позволяет в принципе фиксировать изменения в оптической плотности среды в открытом оптическом канале, но из-за ограниченности спектрального диапазона (0,5-1,1 мкм) не может использов

Использование: в спектрально-аналитической, пирометрической и тепловизионной аппаратуре. Технический результат излучателя и фотоэлемента: создание серии фотолюминесцентных излучателей различных интервалов длин волн с максимумами, соответствующими полосам поглощения исследуемых веществ, а также обеспечение возможности управления их быстродействием и увеличение мощности и силы излучения (чувствительности). Технический результат для оптрона также: расширение спектрального диапазона оптической связи в открытом оптическом канале оптрона до 5 мкм, что дает возможность проведения спектрального анализа. Сущность: фотолюминесцентный излучатель включает электролюминесцентный диод из арсенида галлия, генерирующий первичное излучение в интервале длин волн 0,8-0,9 мкм, а также нанесенный на диэлектрическую подложку поликристаллический слой селенида свинца, поглощающий первичное излучение и вторично излучающий в интервале длин волн 2-5 мкм, в селенид свинца совокупно введены: добавка, направленно изменяющая положение длины волны максимума излучения, время нарастания и спада импульса излучения, и добавка, увеличивающая мощность излучения. Фотоэлемент включает слой селенида свинца на диэлектрической подложке с сформированным в нем потенциальным барьером, в селенид свинца введены добавки, аналогичные добавкам, введенным в селенид свинца заявленного излучателя. В оптроне применены излучатель и заявленные фотоэлементы согласно изобретению. Концентрация добавки селенида кадмия в поликристаллическом слое излучателя в 3,5-4,5 раза больше, чем в фотоэлементе. Открытый оптический канал оптрона лучше выполнить с возможностью заполнения газом или жидкостью, а для оптимального согласования и компактности излучатель и/или фотоэлемент можно дополнить узкополосными оптическими интерференционными фильтрами. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 ил.

(54) ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ И ОПТРОН НА ИХ ОСНОВЕ

Открытое Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт ГИРИКОНД" (RU),Горбунов Николай Иванович (RU),Варфоломеев Сергей Павлович (RU),Дийков Лев Кузьмич (RU),Марахонов Валерий Михайлович (RU),Медведев Федор Константинович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Горбунов Н.И. (RU),Варфоломеев С.П. (RU),Дийков Л.К. (RU),Марахонов В.М. (RU),Медведев Ф.К. (RU)

196620, Санкт-Петербург, Павловск, Медвежий пер, 5, кв.14, пат.пов.Б.А.Пейзнеру

Адрес для переписки:

RU 2208268 С2, 10.07.2003. RU 2025833 C1, 30.12.1994. US 4406050 А, 27.09.1983. US 4853339 A, 01.08.1989. RU 2174269 С2, 27.09.2001. WO 93/07647 А1, 15.04.1993.

(56) Список документов, цитированных в отчете опоиске:

(45) Опубликовано: 27.09.2005

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

(21), (22) Заявка: 2004104374/28, 05.02.2004

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУСтатус: по данным на 18.01.2011 - действует

    H01L33/00, H01L31/101, H01L31/12

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБАПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

Патент на изобретение 2261502