Способ изготовления диодов оптического диапазона Советский патент 1981 года по МПК H01L21/28 

иия диода оптического диапазона,, включающему 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 уменьщения тока через контакт на 10-20% от максимального значения отключают напряжение в течение времени, не превыща-ющего 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 неразъемного выпрямляющегб в оптическом диапазоне перехода металл-оксид-металл термическому окнслению 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 наибольщая там, где наименьщая площадь поперечного сеченная. При появлении в результате термического окисления сплощного слоя окисла ток, проходящий через сварной контакт уменьщается. Это вызвано образованием в области сварного Контакта перехода металл-оксид-Иеталл, 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 уменьщения 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 / от напряжения V для случая У 50 В1с t (t - время в с.) представлена на чертеже.

Существенной, особенностью приведенной завимости является наличие максимума тока. В этот момент начинается окисление металлического спая, дальнейщее попедение тока (уменьщение тока) со времемнческого окисления прц условии, что напряжение за время окисления возрастает намного меньше, чем растет Я;опротивление 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 превыщать 100 В/с. Использование такой зависимости тока, протекающего через спай, от приложенного нарастающего напряжения осуществляют в области уменьшения тока, например, отключением напря жения в одной из точек- а, б, в (см. чертеж). Таким образом прекращают процесс термического окисления спая, 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 СО2 лазера и сопротивление диода, полученного отключением напряжения в точке а составили 0,04 В1Вт п 30 Ом соответственно, в точке б - 0,09 В1Вт и 90 Ом, в Точке в - 0,05 BIBr 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 больщее, чем 10 МКС.

Предложенные способом диод оптилеского диапазона изготавливали с Г-образной проволочной антенной из вольфрама, диаметр антенны 3 мкм, полная длина 2 мм (1 мм4-1 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 дейст-о вием напряжения 6 В переменного тока (50 Гц). Полированный по торцу Металлический щтырь диаметром 2 мм был изготовлен из никеля.

Приведение в механический контакт кончика заостренной проволочной антенны с полированной поверхностьк) металлического щтыря до появления выпрямленного напряжения при фокусировке на контакт излучения СОг 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, кака см осуществляли, когда емкость брали равной 0,01 мкФ, а напряжение наней 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 2-30м. 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 сварной контакт уменьщался на 15% от максимального значения, напряжение автоматически отключа.лось за время порядка 1 мкс.

В {йззультате был получен неразъемный диод оптического диапазона со стабильными (в пределах ощибки измерений ±15%) параметрами (сопротивление 200 Ом, чувствительность 0,1 В1Вт к излучению К 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 при получении выпрямляющего контакта. Подтверждением быстродействия диода () достаточного для эффективной работы в оптическом диапазоне, явилось получение с диода сигнала /N 30 дБ) биеняй на частоте 280 МГц при подаче на диод излучения двух СО2 лазеров, настроенных на переходы Р (20) и Я (22), и клистрона, работающего на частоте 54 ГГц.

Формула изобретения

Способ изготовления диодов оптического диапазона, включающий формирование контакта механическим контактированием кончнка заостренной проволочной антенны с полированной металлической поверхностью до появления выпрямляющего эффекта в оптическом диапазоне, отличающийся тем, что, с целью повыщения. стабильности

и срока службы диода, проводят формирование контакта в виде неразъемного металлического соединения с помощью сварки, затем подают в цепь контакта нарастающее напрял ение постоянного тока на воздухе и

после уменьщения тока через контакт на 10-20% от максимального значения отключают напряжение в течение времени, не превыщающего 10 мкс.

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, опублик.1973 (прототип).

tiO

30

1

5 L

W

0

2 5 д 10 12 tfffcex) 0,1 0,г 0.5 0,ff 0,5 0,6 V(e}