Способ создания диодных оптоэлектронных пар, стойких к гамма-нейтронному излучению
METHOD OF PRODUCING DIODE OPTOELECTRONIC PAIRS RESISTANT TO GAMMA-NEUTRON RADIATION

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при создании радиационно-стойких оптоэлектронных устройств.
Оптоэлектронные устройства, содержащие в цепи сигнала оптические звенья, обеспечивают электромагнитную совместимость отдельных частей аппаратуры, стойкость к воздействию электромагнитного излучения и помехозащищенность приборов. Вместе с тем оптоэлектронным устройствам присущи недостатки, связанные с низкой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает их использование в радиационно-стойкой аппаратуре. Для вторичных источников питания радиационно-стойкой аппаратуры систем управления и связи, в качестве гальванической развязки между управляющими цепями и исполнительными устройствами, актуально применение оптоэлектронных пар, с предельными уровнями стойкости к γ-нейтронному излучению.
Основными элементами оптоэлектронных устройств являются источники и приемники излучения, а также оптические среды. Эти элементы применяются как в виде различных комбинаций, так и в виде автономных устройств и узлов с самостоятельными частными задачами.
3
5
Известны технические решения, в которых функционально объединены и оптически связаны между собой излучатель и приемник излучения в виде оптоэлектронной пары. (Ю.Р. Носов, Р.С. Сидоров «Оптроны и их применение», Москва, Радио и связь, 1981 г.). Особенностью оптоэлектронной пары с электрическим входом и выходом, является двойное преобразование энергии, электрической в оптическую и обратно. При этом во входной цепи светодиод трансформирует электрические сигналы в оптическое излучение, которое преобразуется в фотодиодах в электрический ток в выходной цепи. Если источник и приемник излучения электрически не соединены, реализуется гальваническая развязка входа и выхода. В оптоэлектронных парах чаще используются излучающие диоды на основе гетероэпитаксиальных структур соединений АВ и кремниевые фотоприемные устройства. В оптоэлектронных парах обычно генерируется излучение с длиной волны в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Фотоприемные устройства, созданные на основе объемного кремния, либо кремниевых эпитаксиальных структур, обладают низким уровнем стойкости к γ-нейтронному излучению, что и обусловливает низкую стойкость серийно изготавливаемых оптоэлектронных пар.
Известно использование фотолюминесцентного излучателя, полупроводникового фотоэлемента и оптрона, на их основе, в спектрально-аналитической, пирометрической и тепловизионной аппаратуре (Патент РФ №2261502, опубликован 27.09.2005, Бюл. №27). Технический результат для излучателя и фотоэлемента заключается в создании серии фотолюминесцентных излучателей различных интервалов длин волн, с максимумами, соответствующими полосам поглощения исследуемых веществ. В патенте применен полупроводниковый фотоэлемент на основе соединений селенида свинца в виде поликристаллического слоя на диэлектрической подложке, с потенциальным барьером в форме р-n перехода, с добавлением селенида кадмия, висмута, хлора и кислорода, изменяющих область спектральной чувствительности, токовую чувствительность и фото ЭДС. Технический результат для оптрона связан с расширением спектрального диапазона оптической связи, что дает возможность его использования для проведения спектрального анализа веществ.
В патенте не рассматриваются вопросы деградации параметров заявленного оптрона и составляющих его фотолюминесцентного излучателя и полупроводникового фотоэлемента после воздействия ионизирующего излучения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является лазерный оптрон (Патент Республики Болгарии, BG №109746А, опубликован 30.03.2008, Бюл. №5), предназначенный для применения в оптоэлектронике, в частности в быстродействующих системах оптической связи. Лазерный диод оптрона излучает в ближней и средней инфракрасной области спектра. Лазерный диод через жесткую оптическую среду связан с фотодиодом, полоса поглощения которого также находится в ближней и средней инфракрасной области спектра. Лазерный диод и фотодиод, связанные оптически прозрачной средой, монтируются в герметичном изолирующем корпусе. В качестве фотодиодов могут использоваться pin диоды либо лавинные фотодиоды.
Большая проникающая способность γ-нейтронного излучения приводит к формированию структурных дефектов в активных областях pin диодов. Характерной особенностью структуры pin диодов является протяженная область траектории движения носителей заряда, что значительно увеличивает вероятность их захвата на радиационные дефекты. Увеличение скорости захвата носителей радиационными дефектами снижает радиационную стойкость pin диодов. Указанный недостаток не позволяет использовать заявленный в патенте лазерный оптрон на основе pin диодов либо лавинных фотодиодов в радиационно-стойкой аппаратуре.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является создание диодных оптоэлектронных пар с предельными уровнями стойкости к воздействию гамма - нейтронного облучения, соответствующими требованиям к радиационно-стойким устройствам систем управления и связи.
Технический результат достигается тем, что в способе создания диодных оптоэлектронных пар стойких к гамма - нейтронному излучению путем монтажа в металлокерамический корпус кристаллов источника и приемника излучения, с условием электрической изоляции входа и выхода, кристаллы источника излучения выполняют на основе двойных гетероэпитаксиальных структур арсенида галлия - алюминия, кристаллы приемника излучения выполняют на основе структур «кремний на сапфире», а в качестве иммерсионной оптической среды используют оптически прозрачный компаунд, при этом источник и приемник оптического излучения, согласуют по параметрам, путем выбора конструктивного исполнения кристаллов, подбирая рабочую длину волны таким образом, что источник имеет максимальную мощность оптического излучения, а приемник максимальную величину токовой чувствительности, кроме того, кристаллы источника и приемника излучения монтируют в корпус друг над другом с зазором, сопоставимым с толщиной кристаллов.
Кроме того, при изготовлении источника излучения, активные области гетероэпитаксиальных структур арсенида галлия - алюминия ограничивают по толщине, величиной не более 2 мкм.
Кроме того приемник оптического излучения выполняют путем использования кристаллов гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире», с толщиной эпитаксиального слоя кремния не более 5 мкм.
На фиг. 1 представлена структура кристалла светодиода, 1 - эпитаксиальные слои, 2 - защитное покрытие, 3 - омический переход катодный, 4 - посадочная площадка, 5 - омический переход анодный.
На фиг. 2 приведен разрез структуры элементарного фотодиода.
На фиг. 3 представлена оптоэлектронная пара, собранная в корпусе, 6 - кристалл фотодиода, 7 - кристалл светодиода, 8 - золотая проволока, 9 - компаунд «Эласил 137-180».
На фиг. 4 показаны кристаллы фотодиода и светодиода в корпусе без крышки на этапе приварки выводов.
т
На фиг. 5 приведен график зависимости I от уровня γ-нейтронного излучения для трех образцов оптоэлектронных пар a, b и с.
Способ реализуется следующим образом.
При создании оптоэлектронных пар основными элементами конструкции являются источник и приемник оптического излучения, а также оптически прозрачная среда. Предельный уровень радиационной стойкости оптоэлектронных пар обеспечивается их конструктивным исполнением и высокими уровнями стойкости составляющих элементов.
Воздействие ионизирующего излучения приводит как к обратимым, так и к необратимым изменениям электрофизических и оптических параметров полупроводниковых материалов. Энергетические уровни радиационных дефектов в запрещенной зоне полупроводников, играющие роль рекомбинационных центров, сокращают время жизни носителей заряда и снижают радиационную стойкость элементов устройства. Снижение яркости светодиодов при γ-нейтронном облучении связано с образованием в активных слоях гетероэпитаксиальных структур центров безызлучательной рекомбинации.
Достоинство арсенида галлия - алюминия, в качестве источника оптического излучения, заключается в возможности получения гетероэпитаксиальных структур с высоким качеством, с малым рассогласованием постоянных решетки, при достаточно широком диапазоне изменения состава. Структурное совершенство позволяет получать предельный внутренний квантовый выход. В свою очередь, использование широкозонного окна позволяет на практике получить высокий внешний квантовый выход. Использование двойных гетероэпитаксиальных структур арсенида галлия - алюминия, обусловлено возможностью повышения стойкости к ионизирующему излучению светодиодов за счет выбора оптимальной толщины активных слоев гетероструктур и процентного содержания компонент.
+
+
0.15
0.85
0.3
0.7
Электрофизические параметры светодиода, на основе структур AlGaAs, удовлетворяют требованиям по спектральным характеристикам, диаграмме направленности излучения, температурной зависимости мощности излучения. Конструктивно кристаллы светодиодов, с учетом их габаритных размеров, разрабатывали для сборки в составе оптоэлектронной пары в металлокерамический корпус. Для светодиодов использовали структуры с гетероэпитаксиальными слоями арсенида галлия - алюминия р-р-n-n типа проводимости. Диапазон длин волн излучения светодиодов, на структурах AlGaAs, лежит в ближней ИК области спектра. Использовались структуры с максимальным внешним квантовым выходом и мощностью оптического излучения на длине волны ~870 нм, близкой к оптимальной по параметру чувствительности приемника излучения. Стойкость к ионизирующему излучению, обусловливалась толщиной активного слоя гетеростуктур в диапазоне от 1 до 2 мкм и диапазоном изменения состава от AlGaAs до AlGaAs. Также для повышения радиационной стойкости светодиодов, пластины с гетероэпитаксиальными слоями травили со стороны р-слоя до суммарной толщины ~150 мкм. Схематично структура кристалла светодиода представлена на фиг. 1. В качестве защитного покрытия использовали пленки двуокиси кремния. Для формирования омических контактов к слоям n- и р-типа проводимости, после травления окон в защитном покрытии, выполняли гальваническое осаждение металла. Основным элементом металлизации служило золото. После травления мезаструктур, проводили разбраковку кристаллов по электрофизическим параметрам.
В качестве радиационно-стойких приемников оптического излучения использовали фотодиоды, выполненные на структурах «кремний на сапфире». При γ-нейтронном облучении, генерированные оптическим излучением носители заряда, под действием электрического поля и диффузии, заполняют слой кремния до границы раздела кремний - сапфир. В фотодиодах на кремниевых структурах, носители заряда в зависимости от диффузионной длины, диффундируют на глубину более 20 мкм. Наличие границы раздела в КНС структурах приводит к ограничению потоков носителей заряда в глубину структуры в отличие от диодов, изготовленных на кремниевых пластинах. Т.к. длина траектории движения электронов и дырок в КНС структурах меньше, чем в структурах на кремнии, вероятность захвата неосновных носителей заряда на радиационные дефекты вдоль траектории движения для КНС структур значительно меньше. За счет снижения скорости захвата носителей радиационными дефектами повышается уровень радиационной стойкости КНС фотодиодов.
Расчет параметров фотодиода выполняли с учетом соответствия требованиям к характеристикам оптоэлектронной пары. Учитывались требования по совместимости характеристик с источником оптического излучения и сборке в составе оптоэлектронной пары в металлокерамический корпус. Оптимальная толщина гетероэпитаксиального слоя кремния определяется из расчета квантовой эффективности фотодиода. Размер области поглощения обратно пропорционален величине коэффициента оптического поглощения. При длине волны оптического излучения светодиода ~870 нм, оптимальная величина области поглощения ~5 мкм.
Для повышения токовой чувствительности, фотодиоды формировали в виде параллельного соединения элементарных диодов малой площади. Металлизацию к областям анода и катода диодов выполняли как встречно-штыревую структуру. Использовали наиболее эффективные по критерию соотношения токовой чувствительности и темнового тока фотодиоды с полосковыми, прямоугольными анодами.
15
см-3
+
+
+
При изготовлении кристаллов фотодиодов применяли выращенные из газовой фазы гетероэпитаксиальные структуры кремния n-типа проводимости с ориентацией (100) на подложках из монокристаллического сапфира ориентации (-1012) (так называемый R-срез). По параметру токовая чувствительность фотодиодов было определено, что оптимальная концентрация примеси в пленках кремния должна превышать ~10. Исследования параметров фотодиодов показали, что оптимальный диапазон изменения удельного сопротивления составляет величину от 4,5 Ом⋅см до 10 Ом⋅см. На фиг. 2 представлена в разрезе структура элементарного фотодиода. Показана активная область р-n перехода, сформированная слоем р-анода в пленке кремния, металлизированные контакты к р-аноду и n-катоду, межслойный диэлектрик из слоев нитрида и двуокиси кремния, а также пассивирующая пленка фосфоросиликатного стекла (ФСС). Данная структура была реализована по технологическому маршруту с использованием операций фотолитографии, осаждения диэлектрических и проводящих слоев, операций ионного легирования, термических обработок и плазмохимического травления.
Коэффициент передачи тока оптоэлектронной пары повышается при уменьшении зазора между кристаллами излучателя и приемника, с условием оптимального выбора оптической среды между ними. В качестве иммерсионной оптической среды оптоэлектронных пар использовали оптически прозрачный кремнийорганический клей - герметик «Эласил 137-180». Данный материал однокомпонентен, технологичен и при применении в качестве оптического контакта в детекторах остается прозрачным и устойчивым в диапазоне температур от минус 80 до плюс 200°С. Для исследования радиационной стойкости клея - герметика, изготавливали специальные образцы размером 11⋅11⋅50 мм и проводили измерения оптических свойств образцов на спектрофотометре при длине волны излучения в диапазоне от 700 до 1100 нм, до и после воздействия ионизирующего излучения. Внешний вид и масса образцов после испытаний не изменились. Изменения оптических характеристик образцов не превышали величину ~10% в зависимости от воздействующего фактора.
Эффективность работы оптоэлектронных пар обеспечивали также типом корпуса и способом монтажа кристаллов, которые определяют необходимое отведение тепла и минимальные внутренние напряжения в структуре. Для выполнения требований радиационной стойкости, сборку кристаллов излучателя и приемника оптоэлектронных пар проводили в металлокерамический корпус DIP (Dual-in-Line Package) с двухсторонним расположением выводов для монтажа в отверстия печатных плат. Корпус выполнен с применением высокотемпературной вакуумной керамики ВК-94. Использовали, так называемую, вертикальную схему расположения кристаллов. Данный тип монтажа «кристалл над кристаллом», наиболее эффективен для повышения коэффициента передачи тока между излучателем и приемником, т.к. зазор между кристаллами может быть снижен за счет применения оптически прозрачного компаунда. На фиг. 3 схематично показана сборка оптоэлектронной пары в корпусе. Монтаж кристалла фотодиода в корпус выполняли с использованием клея ВК-9. Затем алюминиевой проволокой разваривали выводы с контактных площадок корпуса на контактные площадки фотодиода. Выполняли приварку золотых проволочных выводов на контактные площадки светодиода. Монтаж в корпус кристалла светодиода с разваренными выводами, на кристалл фотодиода проводили с использованием оптически прозрачного кремнийорганического клея - герметика, при этом грани выхода светового потока светодиодов совмещали через оптическую среду с гранями активной области поглощения фотодиодов. С использованием клея - герметика зазор между кристаллами излучателя и приемника выдерживали сопоставимым, с толщиной кристаллов, что обусловливало снижение потерь мощности оптического излучения. Выводы с контактных площадок светодиода разваривали на контактные площадки корпуса. На фиг. 4 представлен внешний вид оптоэлектронной пары в корпусе без крышки на этапе приварки выводов. С целью защиты кристаллов и внутренних проволочных соединений от механических повреждений и воздействия окружающей среды, подкорпусной объем заливали оптическим компаундом. Для герметизации металлокерамических корпусов, использовали контактную шовную роликовую сварку.
Электрические параметры оптоэлектронных пар контролировали на измерительном стенде с использованием контрольно-измерительного оборудования: тестера полупроводниковых приборов, источника питания и мультиметра. Измерительная оснастка включала блок коммутации и тестовые платы. Измерения параметров оптоэлектронных пар при крайних температурах проводили с использованием специально разработанного контактирующего устройства.
вх
вх
вых
из
из
из
гp
Контролировали основные параметры оптоэлектронных пар. Коэффициент передачи тока (К), определяется как отношение тока на выходе к току на входе. Постоянное прямое напряжение на излучателе (U). Максимальный входной ток (I), при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе прибора. Ток, протекающий в выходной цепи диодной оптоэлектронной пары (I). Активное сопротивление изоляции (R). Максимальное напряжение изоляции, приложенное между входом и выходом оптоэлектронной пары, при котором сохраняется ее электрическая прочность (U). Проходная емкость (С) - емкость между входной и выходной цепью оптоэлектронной пары. Граничная частота (f)-частота, на которой модуль коэффициента передачи тока в режиме малого сигнала уменьшается по сравнению с его значением на низкой частоте с множителем 1/√2.
вх
вых
вх
вых
из
из
из
гp
10
Величины измеренных параметров соответствовали свойственным диодным оптоэлектронным парам значениям. Средние значения коэффициента передачи тока K равнялись 0.775%, при постоянном прямом напряжении на излучателе U=1.26 В и напряжении на приемнике излучения U=5 В. При этом средние значения входного тока светоизлучающих диодов составляли величину I=4.85 мА, а средние значения тока в выходной цепи I=40.05 мкА. Темновые токи фотодиодов не превышали величину ~2.5 мкА. Измеренные значения активного сопротивления изоляции (R) составляли ~2⋅10 Ом. Максимальное напряжение изоляции (U), при котором сохранялась электрическая прочность оптоэлектронной пары 1.5кВ. Величина проходной емкости (С) оптоэлектронных пар не превышала 5пФ. Граничная частота (f) составляла величину ~2 мГц.
Измерения величины входных токов и напряжений показали их относительно низкие значения, что исключает разогрев кристалла и снижение мощности излучения светодиодов. При сборке кристаллов в корпус, выбор оптически прозрачного клея - герметика, оказался эффективным для повышения коэффициента передачи тока между излучателем и приемником за счет снижения зазора между кристаллами. При этом обеспечивались требуемые значения активного сопротивления и максимального напряжения изоляции, при котором сохраняется электрическая прочность оптоэлектронной пары. Относительно низкие значения проходной емкости, обусловливали работоспособность оптоэлектронных пар в мегагерцовом диапазоне частот.
вх
вых
т
т
Испытания на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам подтвердили прочность конструкции оптоэлектронных пар. Работоспособность оптоэлектронных пар сохранялась при повышенных до 90°С температурах. Стойкость оптоэлектронных пар к воздействию ионизирующего излучения, исследовали на моделирующих установках, а также с использованием имитационного оборудования. Входной ток светодиодов (I) при наборе дозы излучения возрастал в среднем на 13%, а выходной ток (I) с фотодиодов на 15%. Наибольшие изменения параметров при дозовых нагрузках связаны с ростом величины темнового тока (I) фотодиодов. На фиг. 5 представлен график зависимости величины темнового тока фотодиодов для трех образцов оптоэлектронных пар а, b, с от уровня γ-нейтронного излучения. Релаксация тока для образца b определялась перерывом в наборе дозы при испытаниях и связана с восстановлением структуры диодов. Для образцов а и с оптоэлектронных пар увеличение I не являлось критичным для функционирования, все образцы а,b,с сохранили работоспособность после воздействия. Снижение коэффициента передачи тока (К) при максимальных дозовых нагрузках составляло величину не более 5%. По результатам проведения радиационных испытаний был подтвержден экстремальный уровень стойкости оптоэлектронных пар к γ-нейтронному излучению.
Таким образом, заявленный способ позволяет создать диодные оптоэлектронные пары с уровнем стойкости к γ-нейтронному излучению, соответствующим требованиям к радиационно-стойкой аппаратуре систем управления и связи.