Охлаждаемый планарный фотодиод на основе кристаллов антимонида индия

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению диапазона (3-5,5) мкм и может использоваться при изготовлении дискретных, линейчатых и матричных приемников излучения на основе фотодиодных кристаллов из антимонида индия.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
При проектировании охлаждаемых планарных фотодиодов (ФД) с кристаллами из антимонида индия (InSb) вместе с обеспечением охлаждения кристаллов до температур 80±2К требуется обеспечить попадание на кристалл излучения только заданного (рабочего) спектрального диапазона. При этом подразумевается полное экранирование кристалла от попадания коротковолнового излучения среды (видимого и ближнего ИК-диапазонов), приводящего к зарядке поверхности планарных фотодиодных кристаллов электронами. Следствием такой зарядки является формирование на поверхности высокоомной (базовой) области кристалла «наведенного» р-слоя. В случае планарных структур р-n типа этот слой находится на поверхности базы n-типа и, соединяясь с р-эмиттером, шунтирует рабочий р-n переход. В случае планарных структур n-р-типа он находится на поверхности базы р-типа, образуя с n-эмиттером поверхностный туннельный n-р-переход, также шунтирующий рабочий n-р переход. В обоих случаях это приводит к деградации фотоэлектрических параметров ФД.
Решение этой проблемы обеспечивается закреплением плоского спектроделительного фильтра, пропускающего излучение только рабочего спектрального диапазона, параллельно плоскости кристалла и экранированием всех путей возможных боковых подсветок кристалла коротковолновым излучением среды.
Известен охлаждаемый планарный ФД на основе InSb (см. техническую документацию АО «МЗ «САПФИР» АГЦ 2.003.003), состоящий из закрепленных на цоколе ФД стеклянного баллона (сосуда Дьюара) и металлического цилиндрического держателя, вставленного соосно в баллон, а также герметичного фоточувствительного элемента (ФЧЭ), закрепленного на торцевой плоскости держателя. При этом ФЧЭ представляет собой сапфировое основание, в центре которого закреплен фотодиодный кристалл InSb вместе с сапфировым кольцом, охватывающим кристалл; сверху кристалл экранируется фильтром, приклеенным к периферии кольца. Сигнальные выводы от кристалла пропускаются через отверстия в кольце и припаиваются к металлизированным дорожкам на внешней поверхности кольца, которые соединены с проводниками кабеля, выводящего сигналы в аппаратуру применения. Боковая поверхность кольца, а также торцевые поверхности фильтра и основания вместе с поверхностью обратной стороны основания, находящейся за пределами держателя, обмазываются непрозрачным компаундом для исключения возможных непрямых подсветок кристалла.
Недостатками такой конструкции являются сложность изготовления кольца и сборки ФД, а также низкая технологичность и недостаточная надежность обеспечения отсутствия подсветки кристалла из-за применения обмазки. По этим же причинам такая конструкция практически неприменима для создания многоплощадочных ФД, реализация которых требует применения развитого контактного растра.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и взятый за прототип охлаждаемый планарный многоплощадочный ФД на основе InSb (см. техническую документацию АО «МЗ» САПФИР» ОС2.003.023), принципиальная схема которого представлена на чертеже фиг. 1. ФД-прототип содержит закрепленные на металлокерамическом цоколе 1 стеклянный баллон (сосуд Дьюара) 2, расположенный внутри стеклянного баллона 2 металлический держатель 3 для крепления ФЧЭ и металлический корпус 13 для закрепления на его конце металлической оправы 11 с фильтром 12. ФЧЭ образуют сапфировое основание 4, приклеенное на торцевую поверхность держателя 3, приклеенный к сапфировому основанию 4 фото диодный кристалл 5 с окружающим его сапфировым контактным растром 6, сапфировое кольцо 7, симметрично охватывающее фотодиодный кристалл 5 и приклеенное на растр 6, сапфировая крышка 8, приклеенная на сапфировое кольцо 7 и образующая герметичную капсулу вместе с сапфировым основанием 4, сапфировым растром 6 и сапфировым кольцом 7, и черненая металлическая диафрагма 9, формирующая апертурный угол и приклеенная на сапфировую крышку 8. Детали такого ФЧЭ являются прозрачными для коротковолнового излучения. Поэтому экранирование возможных подсветок кристалла 5 в таком ФД обеспечивается металлическим корпусом 13, окружающим стеклянный баллон 2 с двумя входными сапфировыми окнами 10, и ввинченной в корпус металлической оправой 11 с вклеенным в нее фильтром 12, прозрачным только для сигнального излучения. Таким образом, вся внутренняя полость баллона, а значит и кристалл недоступны для коротковолнового излучения среды.
Недостатком ФД-прототипа являются избыточные габариты и вес, обусловленные наличием металлического корпуса 13, охватывающего стеклянный баллон 2, и удлиняющей конструкцию ФД металлической оправы 11 с массивным фильтром из кристаллического арсенида индия 12, а также сапфировых растра 6 и крышки капсулы 8.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является уменьшение веса и габаритов охлаждаемого ФД на основе InSb.
Техническим результатом является обеспечение экранирования фотодиодного кристалла от коротковолнового излучения среды путем создания экранирующей зоны в непосредственной близости с кристаллом, что позволяет отказаться от использования массивных металлических деталей - корпуса и оправы фильтра, сапфировых растра и крышки, и использовать фильтр значительно меньших габаритов. Это привело к использованию непрозрачных малогабаритных, дешевых и облегченных деталей из керамики ВК94-01: основания, на которое нанесен токопроводящий рисунок растра (это позволило отказаться от сапфирового растра как от отдельной детали) и керамического кольца для крепления фильтра с металлической апертурной диафрагмой, закрывающей одновременно цилиндрическую (боковую) поверхность фильтра, взамен сапфировых кольца и крышки капсулы.
Указанный технический результат достигается тем, что в охлаждаемом планарном фотодиоде на основе кристаллов антимонида индия, состоящем из металлического цоколя с закрепленным на нем стеклянным баллоном с сапфировым двухстенным входным окном, внутри которого также на цоколе закреплен металлический цилиндрический держатель, на котором установлен ФЧЭ, состоящий из керамического основания с приклеенным на него фотодиодным кристаллом, который окружен керамическим кольцом, на которое приклеен малоразмерный фильтр с металлической диафрагмой, закрывающей одновременно цилиндрическую (боковую) поверхность фильтра, и на керамическом основании нанесен рисунок растра в виде токопроводящих дорожек.
Сущность полезной модели поясняется чертежом фиг. 2, на котором представлена принципиальная схема ФД.
Предлагаемый ФД содержат цоколь 1, на котором закреплены стеклянный баллон (сосуд Дьюара) 2 с сапфировым двухстенным входным окном 10. Внутри стеклянного баллона 2 также на цоколе 1 закреплен металлический цилиндрический держатель 3. На держателе 3 установлен ФЧЭ, состоящий из керамического основания 4 с нанесенным на него рисунком растра в виде токопроводящих дорожек, на котором установлен фотодиодный кристалл 5, снабженный проволочными выводами, соединяющими фоточувствительные площадки с соответствующими дорожками растра, на керамическом основании 4 закреплено керамическое кольцо 7 с приклеенными на него малоразмерным фильтром 12 и апертурной диафрагмой 9. Последние четыре детали фиг. 2 (позиции 4, 7, 9 и 12) образуют малоразмерный замкнутый экран от коротковолнового излучения внешней среды вокруг фотодиодного кристалла 5. На ФД-прототипе такой экран формируется массивным металлическим корпусом 13 с ввернутой в него массивной металлической оправой 11, в которой закреплен фильтр 12 из просветленного кристалла арсенида индия значительных габаритов. Отсутствие металлического корпуса 13 с ввернутой в него массивной металлической оправой 11, сапфировых растра 6 и крышки капсулы 8 позволило уменьшить вес и габариты охлаждаемого ФД на основе InSb.
В предлагаемой полезной модели отсутствует корпус 3 и оправа 11 с массивным фильтром 12. Однако если просто удалить эти детали, то появляется возможность прохождения коротковолнового излучения среды через входные окна 10 стеклянного баллона 2. «Прямые» лучи, перпендикулярные поверхности окон, попадают на поверхность кристалла и создают на ней отрицательный заряд электронов, который в свою очередь создает у поверхности кристалла «наведенный» р-слой, шунтирующий «рабочий» р-n переход. В результате возрастает шумовой ток и (или) уменьшается ток сигнала. «Косые» лучи, входя в полость стеклянного баллона и отражаясь от его стенок, ослабляясь, могут попадать на цилиндрические (боковые) поверхности прозрачных сапфировых деталей основания 4 и растра 6 и далее, ослабляясь, проникать внутрь ФЧЭ, где отражаясь от стенок сапфирового кольца 7 и крышки капсулы 8 в конечном счете также попадают на поверхность кристалла 5. Как и в случае «прямого» падения на кристалл, несмотря на существенно меньший уровень засветки, по той же причине происходит деградация фотоэлектрических параметров ФД.
В предлагаемой модели (см. фиг. 2) все возможные пути попадания коротковолнового излучения непосредственно на кристалл ФД закрыты: «прямые» лучи экранирует малоразмерный фильтр 12, установленный непосредственно перед кристаллом 5, «косые» лучи экранируют непрозрачные (керамические) основание 4 и кольцо 7, а также стенка металлической диафрагмы 9, закрывающая цилиндрическую (боковую) поверхность фильтра.
Следует также отметить, что предложенный ФД является более надежным по сравнению с прототипом и более технологичным, поскольку его охлаждение в условиях воздействия коротковолнового излучения внешней среды не приводит к зарядке поверхности кристалла и как следствие - деградации его параметров, что может происходить при промежуточных проверках ФД-прототипа до установки фильтра.
Таким образом, модель ФД по сравнению с ФД-прототипом укорочена на толщину оправы и длину части корпуса ФД-прототипа, выступающей за пределы стеклянного баллона. В диаметре модель ФД уменьшена до внешнего диаметра стеклянного баллона. В соответствии с этим значительно уменьшены вес и габариты модели.