ЛАЗЕРНЫЙ ЭКРАН ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01J29/10 H01J31/08 H01J9/22 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к кинескопам высокой яркости, и может быть использовано в проекционном телевидении и в проекционной фотолитографии.

Целью изобретения является увеличение однородности и эффективности излучения лазерного экрана для отпаянных электронно-лучевых трубок.

На фиг. 1 схематично представлен лазерный экран; на фиг.2 - результаты после каждой проведенной операции способа изготовления лазерного экрана.

Лазерный экран содержит электропроводящее высокоотражающее зеркальное покрытие 1, активный слой 2 из полупроводникового соединения типа A_1-xB_xC, многослойное полупрозрачное зеркальное покрытие 3 и опорную пластину 4 из полупроводникового соединения более широкозонного, но близкого по составу к полупроводниковому соединению активного слоя (параметр состава х изменен на 0,1-0,25).

Лазерный экран работает следующим образом.

Электронный пучок е-, проникая через покрытие 1, возбуждает активный слой 2. В оптическом резонаторе, образованном покрытиями 1 и 3, генерируется электромагнитное излучение hν, выходящее из резонатора через наращенную опорную пластину 4. Тепло, выделяемое в активном слое, отводится через боковые или свободные поверхности опорной пластины 4. Избыток заряда, вносимого в лазерный экран электронным пучком, стекает по электропроводящему покрытию.

При изготовлении лазерного экрана по предлагаемому способу изготавливают и полируют с одной стороны полупроводниковую монокристаллическую пластину 2-1 (фиг.2, а), наносят на нее многослойное полупрозрачное зеркало 3 (фиг. 2, б), а затем наращивают опорную пластину 4 (фиг.2, в). Затем обрабатывают вторую сторону пластины 2-1, изготавливая в результате активный слой 2 (фиг.2, г), и наносят электропроводящее высокоотражающее покрытие 1 (фиг.2, д).

Например, для изготовления лазерного экрана, излучающего в зеленой области спектра, термо- и химически стойкое многослойное полупрозрачное зеркальное покрытие наносят на монокристаллическую пластину CdS_0,9Se_0,1 при 450-600 К распылением в вакууме окислов ZrO₂ и Al₂O₃, а пассивный слой CdS наращивают химическим осаждением из паровой фазы в кварцевом реакторе при 900-1100 К и соотношении мольных расходов паров кадмия, сероводорода и нейтрального газа аргона (1-1,5):1:(200-400) до толщины 3-10 мм.

Приведенная выше формула A_1-xB_xC означает, что данное соединение является твердым раствором бинарных соединений АС и ВС, а параметр состава х принимает значения от 0 до 1.

Сущность изобретения заключается в том, что бесклеевое соединение полупроводниковой пластины, из которой образуется активный слой, с прозрачной хладопроводящей подложкой (опорной пластиной) осуществляется в отличие от прототипа вне оптического резонатора путем наращивания опорной пластины из близкого по составу полупроводникового материала, а не путем сращивания с предварительно изготовленной подложкой.

Температура наращивания опорной пластины достаточно велика, поэтому монокристаллическая полупроводниковая пластина и наращенная опорная пластина должны быть хорошо согласованы по коэффициентам температурного расширения. Если опорная пластина выполнена не из полупроводникового соединения того же типа, что и полупроводниковое соединение монокристаллической пластины, то практически трудно согласовать коэффициенты температурного расширения во всем температурном диапазоне от температуры наращивания (900-1100К) до рабочей температуры лазерного экрана (80-300 К). Если х изменен больше чем на 0,25, то рассогласование коэффициентов температурного расширения монокристаллической и опорной пластин слишком велико, что не позволит изготовить лазерный экран необходимой площади, с диаметром более 50 мм, с приемлемыми характеристиками излучения и сроком службы из-за возникновения больших внутренних упругих напряжений.

Чтобы генерируемое излучение существенно не поглощалось в наращенной пластине, она должна быть выполнена из более широкозонного полупроводникового соединения, чем монокристаллическая пластина. Если х изменен меньше чем на 0,1, то приращение ширины запрещенной зоны наращенной пластины для полупроводниковых соединений, таких как CdS_xSe_1-x, ZnS_xSe_1-x, Zn_xCd_1-xS и Zn_1-xCd_xSe, наиболее широко используемых в лазерных электронно-лучевых трубках, будет недостаточным для хорошей прозрачности наращенной пластины на длине волны генерируемого излучения, особенно при работе лазерного экрана при комнатной температуре.

Изменение х может быть как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения его значения. Эта неопределенность снимается требованием увеличения ширины запрещенной зоны наращенной пластины по сравнению с соответствующим параметром активного слоя, поскольку все твердые растворы, используемые для изготовления лазерных экранов, имеют монотонную, близкую к линейной зависимость ширины запрещенной зоны от параметра состава х.

Если опорная пластина не будет наращена, т.е. не будет пристыкована к полупрозрачному зеркалу на уровне молекулярной связи, то не будет хорошего теплового и электрического контакта с активным слоем, что приведет к ухудшению излучательных характеристик лазерного экрана и к уменьшению его срока службы.

В предлагаемом изобретении между активным монокристаллическим слоем и наращенной пластиной расположено термо- и химически стойкое многослойное полупрозрачное зеркальное покрытие. Это покрытие предотвращает взаимодействие активного слоя с опорной пластиной в процессе изготовления лазерного экрана, а также в процессе его эксплуатации, когда диффузия атомов стимулируется мощным возбуждающим электронным пучком и интенсивной рекомбинацией неравновесных носителей тока.

Если полупрозрачное зеркало не является термо- и химически стойким, то наращивание на него опорной пластины приводит к ухудшению излучательных свойств активного слоя, прозрачности пассивного слоя и к ухудшению отражательных свойств самого зеркала, что в целом приводит к ухудшению характеристик лазерного экрана.

Требованию химической и термической стойкости удовлетворяет, в частности, зеркало в виде многослойного покрытия из чередующихся четвертьволновых слоев ZrO₂ и Al₂O₃, полученных при вакуумном распылении. Могут быть использованы и другие пары окислов с малым и большим показателем преломления SiO₂-TiO₂, SiO₂-HfO₂. Однако коэффициенты температурного расширения слоев ZrO₂ и Al₂O₃ наиболее близки к полупроводниковым соединениям A₂B₆, используемым для получения излучения в видимой области спектра. Сильное рассогласование коэффициентов температурного расширения (например, как у SiO₂ и CdS_xSe_1-x) приводит к растрескиванию зеркального покрытия при нагревании его до температуры наращивания, что в конечном счете может привести к ухудшению однородности излучения лазерного экрана.

Для улучшения адгезии многослойного покрытия к полупpоводниковой пластине напыление необходимо проводить при температуре пластины Т=450-600 К. Если напыление проводить при Т<450 К, то покрытие разрушается при наращивании пассивного слоя. Если напыление проводить при Т>600 К, то возможно окисление поверхности полупроводника, что приводит к изменению как излучательных свойств активного слоя, так и к изменению свойств зеркала.

Требования к структурным свойствам наращенной опорной пластины невысоки. В частности, она может быть поликристаллической и может быть наращена при относительно низких температурах. Одним из наиболее эффективных методов выращивания полупроводниковых соединений при пониженных температурах является метод химического осаждения из паровой фазы (СVD). Температурный диапазон наращивания опорной пластины и соотношение газовых потоков зависят от материала пассивного слоя и приемлемой скорости наращивания.

Указанный выше температурный диапазон и соотношение газовых потоков для наращивания пластины CdS соответствует скорости роста 0,015-0,03 мкм/с и позволяет нарастить опорную пластину толщиной см примерно за 100 ч, что сравнимо со скоростью роста монокристаллической пластины. После наращивания опорной пластины ее свободную поверхность полируют, чтобы эта поверхность не рассеивала генерируемое излучение на выходе из лазерного экрана.

П р и м е р 1. Из монокристаллического слитка CdS_0,9Se₀₁ вырезают пластину - шайбу диаметром 50 мм и толщиной 1,5 мм с ориентацией /0001/, одну из сторон шлифуют и полируют химико-механическим способом, на эту сторону напыляют при 550 К интерференционное зеркальное покрытие, состоящее из 11 четвертьволновых слоев Al₂O₃ и ZrO₂, на это покрытие наращивают опорную пластину CdS толщиной 10 мм известным методом химическим осаждением из паровой фазы (СУД) при температуре 1100 К и скорости роста 0,03 мкм/с (соотношение мольных расходов паров кадмия, сероводорода и нейтрального газа аргона при этом выбирают равным 1,2:1:300). Свободную поверхность наращенной опорной пластины полируют, затем шлифуют, полируют механическим и химико-механическим способами свободную поверхность монокристаллической пластины до толщины этой пластины 10 мкм, напыляют на эту полированную поверхность серебряное покрытие толщиной 0,08 мкм. Лазерный экран работает в отпаянных электронно-лучевых трубках при комнатной температуры, излучает на длине волны 550 нм с эффективностью преобразования энергии электронного пучка в свет -0,07. Оценочный срок службы не менее 1000 ч в режиме телевизионной развертки.

П р и м е р 2. Изготавливают лазерный экран по примеру 1, но монокристаллическую пластину вырезают из слитка Zn_0,9Cd_0,1Se, опорную пластину наращивают из ZnSe, а активный слой сполировывают до толщины 30 мкм. Лазерный экран излучает при температуре 100 К на длине волны 475 нм и имеет эффективность не менее 0,1 и срок службы не менее 1000 ч.

П р и м е р 3. Изготавливают лазерный экран по примеру 1, но монокристаллическую пластину вырезают из слитка Zn_0,4Cd_0,6Se, а опорную наращивают из Zn_0,65Cd_0,35Se. Лазерный экран имеет те же характеристики, что и в примере 1, но излучает на длине волны 625 нм.

П р и м е р 4. Изготавливают лазерный экран по примеру 1, но монокристаллическую пластину вырезают из слитка Zn_0,9Cd_0,1S, а опорную пластину - из ZnS. Лазерный экран имеет те же характеристики, что и в примере 1, но излучает в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 355 нм с эффективностью 0,05.

Использование: проекционные кинескопы с лазерным экраном (ЛЭ) для отображения информации на большом внешнем экране и засветка фотоматериалов в проекционной фотолитографии. Сущность изобретения: ЛЭ электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) содержит последовательно расположенные глухое зеркало, активный полупроводниковый слой, полупрозрачное зеркало прозрачную опорную пластину, нарощенную на полупрозрачное зеркало. Способ изготовления ЛЭ включает нанесение на полированную монокристаллическую пластину многослойного полупрозрачного зеркального покрытия, на которое наращивают опорную пластину, затем обрабатывают обратную сторону монокристаллической пластины и наносят на нее глухое зеркало. Позволяет увеличить однородность и эффективность излучения ЛЭ для отпаянных ЭЛТ. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

ЛАЗЕРНЫЙ ЭКРАН ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ.