Способ изготовления диодов оптического диапазона

Способ изготовления диодов оптического диапазона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

7867 l3 о

Сова Соеетсхих

Социадистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 16.07.79 (21) 2794891/18-25 (51) М.Кл.а Н 01 L 21/28 с присоединением заявки— (23) Пряоритет— (43) Опубликовано 23.12.81. Бюллетень № 47

1осударстеенный комитет

СССР па делам изобретений и открытий (53) УДК 621.382.002 (088.8) (45) Дата опубликования описания 23,12.81 (72) Автор изобретения о (71) Заявитель

В. Н. Черняков (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДОВ

ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании устройств для целей генерации, детектирования и смешения частот электромагнитного излучения радио-оптического диапазона.

Развитие квантовой электроники вызвало интерес к созданию быстродействующих приборов,.реагирующих на электромагнитное излучение оптического диапазона.

Перспективны приборы, принцип действия которых основан на использован:;н туннельного эффекта, быстродействис которого оценивается как величина порядка

10- 6 с, Структура металл — оксид — металл является системой, где возможно туннелирование.

Известен способ изготовления тон14опленочной структуры металл †оксид †металл для детектирования излучения инфракрасного диапазона с помощью фотолитографии и использования окиси железа и хромовых масок (1).

Недостатком этого способа является сложность технологии, требующей применения прецизионной фотолитографии„ дорогостоящих фотошаблонов и оптико-механического оборудования. Кроме того, возможности фотолитографии ограничены минимальным размером порядка 1 мкм, что приводит к низкой чувствительности изготовленного детектора в оптическом диапазоне.

Наиболее близким техническим реше5 нием к изобретению является способ изготовления диода оптического диапазона, включающий формирование контакта механическим контактированием кончика заостренттой антенны с полированной ме10 таллической поверхностью до появления выпрямляющего эффекта в оптическом диапазоне (2).

Выпрямляющий эффект в оптическом диапазоне точечного контакта двух метал15 лов объясняется образованием точечного перехода металл — оксид — металл, с толщиной окисла, обеспечивающей туннельный механизм протекания тока через переход и обеспечивающий постоянную времени пере20 хода порядка 10 4 с или меньше.

Однако параметры диода, полученного таким способом, изменяются со временем, и срок службы составляет несколько часов из-.за прочности контакта к механическим, тепловым и акустическим воздействиям.

Целью изобретения является повышение стабильности параметров и срока службы диода в оптическом диапазоне.

Поставленная . цель достигается тем, что по предложенному способу изготовле7867!3 ния диода оптического диапазона,. вклю-. чающему формирование контакта механическим контактированием кончика заостренной проволочной антенны с полированной металлической поверхностью до появления выпрямляющего эффекта в оптическом диапазоне, проводят формирование контакта в виде неразъемного металлического соединения с помощью сварки, затем подают в цепь контакта нарастающее напряжение постоянного тока на воздухе, и после уменьшения тока через контакт на

10 — 20% от максимального значения отключают напряжение в течение времени, не превышающего 10 мкс.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Полученное после проведения сварки контакта точечное неразъемное металлическое соединение, обладающее высокой механической прочностью, подвергают с целью образования неразъемйого выпрямляющего в оптическом диапазоне перехода металл — оксид — металл термическому окнсленшо на воздухе под действием протекающего через него тока достаточной величины. Необходимая величина тока достигается благодаря тому, что к сварному контакту прикладывается нарастающее напряжение постоянного тока. Геометрия сварного контакта, т, е. его точечность, способствует образованию окисла в этой области, так как температура нагрева током наибольшая там, где наименьшая площадь поперечного сечения. При появлении в результате термического окисления сплошного слоя окисла ток, проходящий через сварной контакт уменьшается. Это вызвано образованием в области сварного контакта. перехода металл — оксид — металл, ток через который обусловлен туннельным эффектом. Так как величина туннельного тока экспоненциально убывает с увеличением толщины изолирующего слоя, то необходимую толщину окисного слоя в этом переходе получают, отключая приложенное к нему напряжение при определенной величине уменьшения протекающего через него тока, Процессом термического окисления точечного металлического спая управляют, используя зависимость величины тока, протекающего через спай, от приложенного напряжения постоянного тока, например линейно нарастающего напряжения (любой полярности).

Осциллограмма зависимости тока I от. напряжения V для случая V = 50 В/с t (t — время в с.) представлена на чертеже.

Существенной. особенностью приведенной завимости является наличие максимума тока. В этот момент начинается окисление металлического спая, дальнейшее поведение тока (уменьшение тока) со време1(AU AИПАТТО И Иап ст С италиа ис. л

5 !

О !

45 мнческого окисления прц, условии, что напряжение за время окисления возрастает намного меньше, чем растет сопротивление окисляемого спая. Характерное время окисления составляет около 1 мс, и окисление происходит при напряжении 0,5—

0,6 В. Скорость нарастания пилообразного напряжения для данных условий не должна превышать 100 В/с. Использование такой зависимости тока, протекающего через спай, от приложенного нарастающего напряжения осуществляют в области уменьшения тока, например, отключением напряжения в одной из точек а, б, в (см. чертеж}. Таким образом прекращают процесс термического окисления сная, т. е. процесс образования перехода металл †оксид †металл при одной из толщин окисла. При этом получают один из неразъемных диодов, чувствительных к оптическому излучению.

Так, например, вольт-ваттная чувствительность к излучению СО лазера и сопротивление диода, полученного отключением напря кения в точке а составили 0,04 В/Вт и

30 Ом соответственно, в точке б — 0,09 В/Br и 90 Ом, в точке а — 0,05 В/Вг и 320 Ом.

Отключение напряжения должно проводиться значительно быстрее, чем происходит падение тока, вызванное процессом термического окисления. Наиболее чувствительные диоды получают, когда отключение напряжения проводят при падении тока от его максимального значения на 10—

20%1 Относительное падение тока на этом участке не превышает 10% за 0,1 мс, поэтому отключение напряжения достаточно проводить за время не большее, чем

10 мкс, Предлоькенные способом диод оптического диапазона изготавливали с Г-образной проволочной антенной из вольфрама, диаметр антенны 3 мкм, полная длина 2 мм (1 мм+1 мм). Заострение кончика антенны до радиуса порядка 0,05 мкм осуществляли по известной методике электрохимического стравливания погруженной в раствор КОН (0,1 N) части антенны под действием напряжения 6 В переменного тока (50 Гц), Полированный по торцу металлический штырь диаметром 2 мм был изготовлен из никеля.

Приведение в механический контакт кончика заостренной проволочной антенны с полированной поверхностью металлического штыря до появления выпрямленного напряжения при фокусировке на контакт излучения СОр лазера (10,6 мкм), осуществляли прецизионным дифференциальным винтом с ценой деления 1 мкм и визуально наблюдали в микроскоп с увеличением 300.

Затем проводили сварку полученного контакта путем подключения его к заряженной емкости. Как показали опыты, ка786713 ка 10 о см осуществляли, когда емкость брали равной 0,01 мкФ, а напряжение на ней составляло 2 В (независимо от полярности), Качество сварки проверяли усилием на разрыв. Металлический характер сварного соединения подтверждался низким (доли . Ом) сопротивлением собственно спая, тогда как сопротивление спая вместе с проволочной антенной составляло 2 — 3 Ом.

Осциллограммы процесса сварки в этом режиме показали, что амплитуда импульса тока лежит в диапазоне 0,4 — 0,5 А, а длительность равна 0,1 мкс.

Далее сварной контакт, находящийся в атмосфере воздуха, подключали к специально изготовленному низкоомному (0,5 Ом) источнику пилообразного .напряжения постоянного тока со скоростью нарастания

0,5 В/с. Когда ток через сварнои контакт уменьшался на 15О О от максимального значения, напряжение автоматически отключалось за время порядка 1 мкс.

В p çóëüòàòå был получен неразъемный диод оптического диапазона со стабильными (в пределах ошибки измерений 150 0) параметрами (сопротивление 200 Ом, чувствительность 0,1 В)Вт к излучению

Х = 10,6 мкм на частоте модуляции 80 мГц). и сроком службы, исчисляемым месяцами.

Неразъемность диода подтверждалась наблюдениями в микроскоп при перемещениях дифференциального винта на +-20 мкм относительно положения и ри получении выпрямляющего контакта. Подтверждением быстродействия диода (т < 3 10 4 с) достаточного для эффективной работы в оптическом диапазоне, явилось получение с диода сигнала,, v 30 дБ) биений на частоте

280 МГц при подаче на диод излучения

5 двух СО, лазеров, настроенных на переходы P (20) и P (22), и клистрона, работающего на частоте 54 ГГц.

l0 Формула изобретения

Способ изготовления диодов оптического диапазона, включающий формирование контакта механическим контактированием кончика заостренной проволочной антенны с полированной металлической поверхностью до появления выпрямляющего эффекта в оптическом диапазоне, отличающийся тем, что, с целью повышения, стабильности и срока службы диода, проводят формирование контакта в виде неразъемного металлического соединения с помощью сварки, затем подают в цепь контакта нарастающее напряжение постоянного тока на воздухе и

25 после уменьшения тока через контакт на

10 — 20 О О от максимального значения отключают напряжение в течение времени, не превышающего 10 мкс.

ЗО Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Applied Physics, 13, № 4 с. 343 — 349, 1977. .2. Патент США № 3, 755, 678, кл. 250-211, 35 опублик. 1973 (прототип).

786713

I х д

2 Ф 6 д 10 iZ t(wee ) о! аг о ии ою ог (а) Составитель В. Буряченко

Техред Л. Куклина Корректор И. Осиповская

Редактор Л. Утехина

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

ППп гь чана ° аа 7 4

Заказ l627f1233 Изд. № 602 Тираж 784 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5