ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 2008 года по МПК G02B5/20 

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов, в частности оптических элементов на основе широкозонных полупроводников, и может использоваться для изготовления оптических фильтров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.

В связи с развитием оптоволоконной связи и других применений оптических волокон возникает потребность в создании оптических фильтров, у которых граница пропускания находится вблизи границы видимого и инфракрасного диапазона. При этом у таких фильтров должна быть широкая полоса пропускания в средней ИК области спектра. В частности, представляет интерес создание фильтра, имеющего границу пропускания излучения в диапазоне длин волн 0,55-0,84 мкм и полосу пропускания в среднем ИК диапазоне (до 17-18 мкм).

Известен оптический фильтр [Р.Niemela, J.Suhonen, J.Sumen. Optical measuring head and method of manufacturing optical measuring head. Pat. US 20020067479] - прототип, активный элемент которого изготавливается механической обработкой из следующих широкозонных полупроводников: CdTe, или CdS, или CdSe, или GaAs, или GaP, или Cd_1-xZn_xTe, или GaAS_xP_1-x, или Al_1-xGa_xAs, или InAs_1-xP_x, или In_1-xGa_xAs. При этом граница пропускания излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и толщиной фильтра. Основной недостаток изобретения-прототипа состоит в том, что изготовление активного элемента такого фильтра механической обработкой накладывает ограничение на его минимально возможную толщину, так как шлифовкой и полировкой полупроводников можно изготовить изделия толщиной примерно 100-500 мкм (в зависимости от свойств материала). При такой толщине невозможно рассчитать спектральное положение границы пропускания из данных о ширине запрещенной зоны полупроводника, а требуются измерения для определения точного значения границы пропускания для заданной толщины активного элемента фильтра.

Задачей данного изобретения является значительное снижение толщины активного элемента оптического фильтра.

Поставленная задача решается в предлагаемом оптическом фильтре, имеющем активный элемент из широкозонного полупроводника за счет того, что активный элемент фильтра состоит из слоя наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_1-xZn_xTe (0≤x≤1) с размером наночастиц в слое 5-10 нм при толщине слоя 30-50 нм, причем слой выращен на поверхности пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка (ZnTe).

Теллурид цинка-кадмия Cd_1-xZn_xTe - варизонный твердый раствор, ширина запрещенной зоны которого при температуре 300 К плавно варьируется, пропорционально величине «х» в формуле Cd_1-xZn_хTe, от 2,268 эВ (х=1) до 1,490 эВ (х=0). Слой наночастиц Cd_1-xZn_xTe является активным элементом фильтра. Задание требуемого состава Cd_1-xZn_xTe, то есть необходимой величины «х» в формуле, обеспечивает требуемое спектральное положение границы пропускания в диапазоне длин волн от 0,550 мкм (Cd_1-xZn_xTe, х=1) до 0,838 мкм (Cd_1-xZn_xTe, х=0). При этом значение длины волны, соответствующее границе пропускания, может быть непосредственно рассчитано из величины ширины запрещенной зоны Cd_1-xZn_xTe, так как при толщине активного элемента 30-50 нм расчетные значения практически совпадают с измеренными. Расчеты производили по формуле λ=hc/Eg, где λ - длина волны в мкм, h=4,16636×10^-15 эВ/с - постоянная Планка, с=2,997925×10¹⁴ мкм/с - скорость света, E_g - ширина запрещенной зоны в эВ. Полоса пропускания такого фильтра - в диапазоне от длины волны, соответствующей границе пропускания, до 18 мкм.

Теллурид цинка имеет однородное светопропускание на уровне 60% в диапазоне длин волн 0,55-18 мкм и, таким образом, представляет собой пассивный (нейтральный) элемент фильтра.

Параметры фильтра выбраны экспериментально.

Применение наночастиц Cd_1-xZn_xTe с размерами менее 5 нм существенно удорожает фильтр из-за технических сложностей изготовления слоя таких наночастиц.

Применение наночастиц с размерами более 10 нм приводит к увеличению толщины слоя наночастиц при изготовлении фильтра, что противоречит задаче данного изобретения.

Применение слоя наночастиц Cd_1-xZn_xTe толщиной менее 30 нм трудно осуществить технически из-за сложностей изготовления.

Применение слоя наночастиц Cd_1-xZn_xTe толщиной более 50 нм не позволяет определять положение границы пропускания только расчетным путем и противоречит задаче данного изобретения.

Интервал значений 0≤х<1 в формуле Cd_1-xZn_xTe определяется физическими соображениями: х=1 не имеет смысла использовать, так как при х=1 состав соответствует чистому теллуриду цинка и слой наночастиц перестает быть активным элементом, а спектральное положение границы пропускания в этом случае определяется шириной запрещенной зоны ZnTe.

Использование теллурида цинка в пассивном элементе оптического фильтра обусловлено следующими причинами. ZnTe имеет однородное светопропускание на уровне 60% в диапазоне длин волн 0,55-18 мкм и, таким образом, является пассивным (нейтральным), т.е. не изменяющим оптических характеристик, элементом. Кроме того, ZnTe, как и Cd_1-xZn_xTe, имеет кубическую структуру (структурный тип сфалерита). Параметры кристаллической решетки ZnTe и Cd_1-xZn_xTe близки, что позволяет изготавливать предлагаемый фильтр с надежным соединением пассивного и активного элементов (кристаллического ZnTe и выращенного слоя наночастиц Cd_1-xZn_xTe). Теллурид цинка имеет очень низкий коэффициент поглощения света (менее 0,01 см^-1) в диапазоне длин волн 0,55-18 мкм, поэтому толщина пассивного элемента не влияет на оптические характеристики фильтра в целом и определяется только конструкцией конкретной оптической системы. Слой наночастиц Cd_1-xZn_xTe толщиной 30-50 нм не может быть использован сам по себе, т.к. при такой толщине он очень хрупок и не может быть смонтирован в оптическую систему. Нанесение слоя наночастиц на объемный кристаллический ZnTe обеспечивает прочность фильтра, достаточную для монтажа фильтра в оптических системах.

На фиг.1 и 2 представлены спектры пропускания оптического фильтра, состоящего из пассивного (нейтрального) элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 10 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,96Zn_0,04Te. Средний размер наночастиц в слое составляет 10 нм, а средняя толщина слоя составляет 50 нм. Спектр фиг.1 снят в видимой области и иллюстрирует измеренную границу пропускания фильтра, находящуюся на длине волны 0,823 мкм (волновое число 12156 см^-1). Расчетное значение границы пропускания для такого фильтра составляет 0,821 мкм, что совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм). На фиг.2 показан спектр пропускания фильтра в инфракрасном диапазоне (нижняя кривая), иллюстрирующий однородное светопропускание в полосе пропускания фильтра (до длины волны 18 мкм). Верхняя кривая - 100%-ная линия спектрофотометра.

Пример 1.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 10 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,96Zn_0,04Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 10 нм, а средняя толщина слоя составляет 50 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,821 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм) - фиг.1.

Пример 2.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 2 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,87Zn_0,13Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 8 нм, а средняя толщина слоя составляет 45 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,785 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Пример 3.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 3 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,86Zn_0,14Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 7 нм, а средняя толщина слоя составляет 40 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,781 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Пример 4.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 4 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,9Zn_0,1Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 10 нм, а средняя толщина слоя составляет 50 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,797 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Пример 5.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 5 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,8Zn_0,2Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 5 нм, а средняя толщина слоя составляет 30 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,759 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Пример 6.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 0,3 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0.5Zn_0.5Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 7 нм, а средняя толщина слоя составляет 40 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,665 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Пример 7.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 0,3 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида кадмия CdTe (что соответствует составу Cd₁Zn₀Te теллурида цинка-кадмия), причем средний размер наночастиц в слое составляет 7 нм, а средняя толщина слоя составляет 40 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,838 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Пример 8.

Оптический фильтр, состоящий из пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка толщиной 0,3 мм с выращенным на поверхности ZnTe активным элементом - слоем наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_0,01Zn_0,99Te, причем средний размер наночастиц в слое составляет 7 нм, а средняя толщина слоя составляет 40 нм. Расчетная граница пропускания фильтра находится на длине волны 0,553 мкм, расчетное значение совпадает с измеренным в пределах точности измерений (±0,002 мкм).

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов и может использоваться для изготовления оптических фильтров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра. Оптический фильтр с активным элементом из слоя наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_1-xZn_xTe (0≤х<1) с размером наночастиц в слое 5-10 нм при толщине слоя 30-50 нм, причем слой выращен на поверхности пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка (ZnTe). Изменение значения «х» в формуле Cd_1-xZn_xTe позволяет задавать спектральное положение границы пропускания в диапазоне длин волн от 0,550 мкм (х=1) до 0,838 мкм (х=0). Технический результат - снижение толщины активного элемента оптического фильтра. 2 ил.

Оптический фильтр, имеющий активный элемент из широкозонного полупроводника, отличающийся тем, что активный элемент оптического фильтра состоит из слоя наночастиц теллурида цинка-кадмия Cd_1-xZn_xTe (0≤х<1) с размером наночастиц в слое 5-10 нм при толщине слоя 30-50 нм, причем слой выращен на поверхности пассивного элемента из кристаллического теллурида цинка ZnTe.