ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к микроэлектронике и касается конструкции и технологии изготовления малоинерционного микроэлектронного источника инфракрасного (ИК) излучения.

Известен источник ИК излучения, обладающий высокой мощностью и слабой тепловой инерцией, который содержит коллиматор и два расположенных соосно с коллиматором электролюминесцентных элемента, нанесенных на изолирующую подложку и снабженных токоподводящими контактами (патент FR 2680914, H 01 L 33/00, H 01 C 7/00, 1/01 G 02 B 27/30, 1992).

Данный источник обладает сложной, громоздкой конструкцией из-за наличия коллиматора и дублирующего электролюминесцентного элемента, необходимого для полного охвата требуемого диапазона излучения.

Известен также источник ИК излучения, содержащий верхний и нижний электроды, между которыми расположен электролюминесцентный элемент, выполненный из аморфного кремния. Боковая поверхность кремниевого слоя подвергнута сухому травлению для образования свободных кремниевых связей, которые создают проводящий канал на боковой поверхности кремниевого слоя. Этот канал окружает внутреннюю часть кремниевого слоя, которую окружает также один из электродов (патент US 5166757, H 01 L 31/18, 27/44, 1993).

Однако такой источник обладает нестабильными техническими характеристиками.

Наиболее близким к заявляемому является микроэлектронный источник ИК излучения, содержащий выполненные из пористого кремния подложку и прикрепленный к ней электролюминесцентный элемент, снабженный токоподводящими контактами и электрически изолированный от подложки с помощью пассивирующего покрытия из диоксида кремния (ЕР 0544369, H 01 L 33/00, 21/324, 1993). При изготовлении электролюминесцентного кремниевого элемента помещают кремниевую пластину в кислотную ванну и анодируют ее. Во время нахождения пластины в ванне освещают анодную сторону пластины, обеспечивая преобразование монокристаллического кремния в микропористый кремниевый слой. Затем формируют два контакта для подачи напряжения на микропористый кремниевый слой (PCT 93/04503, H 01 L 33/00, 21/306).

В данной конструкции достигается компенсация потерь люминесцентного излучения подложкой из пористого кремния. Однако диапазон ИК излучения является узким. Кроме того, известное устройство обладает высокой инерционностью, что ограничивает возможность его использования при передаче высокочастотного ИК сигнала.

Техническая задача предлагаемого устройства - расширение диапазона ИК излучения.

Решение указанной задачи заключается в том, что в конструкцию источника ИК излучения, содержащего кремниевую подложку и прикрепленный к ней электролюминесцентный элемент, выполненный из кремнийсодержащего материала и снабженный токоподводящими контактами и электрически изолированный от подложки с помощью пассивирующего покрытия из SiO₂, внесены изменения: электролюминесцентный элемент изготовлен из карбида кремния (SiC) и выполнен в виде мостика.

Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:
1. Спектр ИК излучения у SiC оказался равномерным в более широком диапазоне, чем у Si.

2. Узкий диапазон ИК излучения в прототипном устройстве усугублялся также органичением, связанным с низкой рабочей температурой кремниевого электролюминесцентного элемента. В предлагаемом устройстве электролюминесцентный элемент выполнен из SiC, который допускает высокотемпературный режим излучения.

3. Электролюминесцентный элемент выполнен в виде мостика с целью уменьшения нагреваемой массы, что имеет следствием обеспечение малоинерционности излучателя для обеспечения возможности передачи высокочастотного ИК сигнала. С этой целью наиболее целесообразным является вариант устройства, в котором электролюминесцентный элемент расположен в отверстии, выполненном в подложке.

Выполнение полупроводникового элемента, электрическая характеристика которого изменяется под действием ИК излучения, в виде мостика известно из (ЕР 0504928, HOIL 31/09, 31/0224, 31/20, 1992), но не для излучения, а для приема ИК сигналов. В известном устройстве мостиковая конструкция служит не для обеспечения быстродействия передачи, а для повышения чувствительности приема ИК излучения.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы вариантов конструкции источника ИК излучения; на фиг. 3 представлена его вольт-амперная характеристика, а на фиг. 4 - спектральная характеристика.

В табл. 1 приведена зависимость быстродействия устройства в режиме высокочастотного излучения от соотношения площадей электролюминесцентного элемента 2 и сквозного отверстия в подложке 1, выполненного по месту расположения элемента 2.

Источник ИК излучения содержит кремниевую подложку 1 и прикрепленный к ней электролюминесцентный элемент 2, выполненный из SiC и снабженный токоподводящими контактами 3. Для электрической изоляции элемента 2 от подложки 1, на рабочую поверхность подложки 1 нанесено пассивирующее покрытие 4 из SiO₂. Электролюминесцентный элемент 2 выполнен в виде мостика.

В варианте фиг. 2 электролюминесцентный элемент 2 сформирован в отверстии 5, выполненном в подложке 1.

При подключении токоподводящих контактов 3 к источнику стабилизированного тока 3-20 мА происходит быстрый разогрев элемента 2 до температуры 600-1000^oC, сопровождаемый ИК излучением.

Для изготовления предлагаемого устройства фиг. 1 рабочую сторону кремниевой подложки 1 ориентации (100) пассивируют термическим окислением при 1200^oC в атмосфере, обогащенной кислородом, формируя таким образом электроизоляционное покрытие 4, на которое далее наносят карбид кремния осаждением в установке магнетронного распыления из SiC-мишени под вакуумом при постоянном токе разряда 0,65 А, мощности 210 Вт и температуре 900^oC в течение 30 мин. На внешнюю поверхность напыленной пленки из SiC наносят фоторезистивную маску, с помощью которой плазмохимически формируют электролюминесцентный элемент 2 размером 400 х 800 мкм. Затем маску удаляют растворением в диметилформамиде и производят боковое подтравливание SiO₂ и Si под элементом 2 с помощью подогретого до 75^oC водного раствора КОН (33 мас.%), поступающего в зону травления через предварительно вытравленные технологические окна. В результате элемент 2 получает вид мостика, перекинутого через вытравленную зону 5, представляющую собой глухое отверстие. Продукты реакции и непрореагировавшие ингредиенты удаляют промывкой в деионизированной воде и высушивают обрабатываемую структуру в сушильном шкафу в течение 3 ч при 50^oC. Далее на внешней поверхности электролюминесцентного элемента 2 формируют токоподводящие никелевые контакты 3 путем термического напыления Ni в вакууме с последующей фотолитографической формовкой.

Вариант устройства фиг. 2 изготавливают аналогично.

Быстродействие устройства фиг. 2 характеризуется длительностью нарастания и спада ИК светового потока при подаче на контакты 3 прямоугольных импульсов тока. Оно зависит от отношения площадей электролюминесцентного элемента 2 и отверстия 5. При значении указанного соотношения размеров от 1: 0,5 до 1:10 длительность переднего и заднего фронтов уменьшается от 25 до 2 и от 28 до 3 мс соответственно (см. таблицу).

Вольтамперные характеристики адекватных по быстродействию устройств, обозначенные на фиг. 3 цифрами 1 и 2 для вариантов фиг. 1 и 2 соответственно, показывают, что предлагаемые источники обладают обратным и отрицательным дифференциальными сопротивлениями. При этом линейный режим работы имеет место в области тока от 3 до 12 мА.

Спектральная характеристика источника ИК излучения при рабочей температуре 800^oC (фиг. 4) показывает, что спектр излучения равномерный в диапазоне от 1500 до 4000 см^-1. В пересчете на длину волны устройство работает в диапазоне от 2 до 7 мкм, что на порядок шире диапазона излучения прототипа. Кроме того, обеспечена возможность работы в средах с высокой температурой (до 1000^oC).

Изобретение относится к микроэлектронике и касается конструкции изготовления малоинерционного микроэлектронного источника ИК излучения. Сущность: устройство содержит кремниевую подложку и прикрепленный к ней электролюминесцентный элемент, выполненный из кремнийсодержащего материала и снабженный токоподводящими контактами и электрически изолированный от подложки с помощью пассивирующего покрытия из SiO₂. Электролюминесцентный элемент изготовлен из SiC и выполнен в виде мостика. Наиболее целесообразным является размещение электролюминесцентного элемента в отверстии, выполненном в подложке. Технический результат - расширение диапазона ИК излучения. 2 з. п.ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Источник инфракрасного излучения, содержащий кремниевую подложку с электроизоляционным покрытием с прикрепленным к ней электролюминесцентным элементом, выполненным из кремний-содержащего материала и снабженным токоподводящими контактами, отличающийся тем, что в подложке выполнено отверстие, электролюминесцентный элемент выполнен в виде мостика, перекинутого через отверстие в подложке, при этом электролюминесцентный элемент выполнен из карбида кремния, а токоподводящие контакты подключены к источнику стабилизированного электрического тока. 2. Источник инфракрасного излучения по п.1, отличающийся тем, что отверстие в подложке выполнено сквозным. 3. Источник инфракрасного излучения по п.2, отличающийся тем, что отверстие в подложке выполнено глухим.