Лазерный экран электронно-лучевой трубки и способ его изготовления

 

Использование: проекционные кинескопы с лазерным экраном (ЛЭ) для отображения информации на большом внешнем экране и для засветки фотоматериалов в проекционной фотолитографии. Сущность изобретения: ЛЭ содержит последовательно расположенные электропроводящее зеркальное покрытие, активный монокристаллический слой, многослойное полупрозрачное зеркало, наращенный на это зеркало полупроводниковый пассивный спой, клеевой слой и хладопроводящую прозрачную подложку. ЛЭ обладает повышенной эффективностью излучения при комнатной температуре. Способ изготовления ЛЭ включает полировку с одной стороны монокристаллической полупроводниковой пластины, нанесение на эту сторону многослойного частично пропускающего зеркального покрытия, наращивание слоя более широкозонного, полупроводникового соединения, закрепление пластины на прозрачной подложке, обработку обратной стороны пластины и нанесение на нее электропроводящего зеркального покрытия. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

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

Известен лазерный экран в виде монокристаллической полупроводниковой пластины с зеркальными покрытиями на обеих поверхностях, приклеенной к прозрачной хладопроводящей подложке (Козловский В.И. и др. Лазерные экраны из монокристаллических слитков CdS, CdS_xSe_1-x и ZnSe. Квантовая электроника, 1977, Т.4, C.351-354.).

В этой же работе описан способ изготовления лазерного экрана электронно-лучевой трубки, включающий выращивание монокристаллического слитка полупроводникового соединения, вырезание из слитка пластины необходимой ориентации, полировку одной стороны этой пластины, напыление полупрозрачного зеркального покрытия на эту сторону, приклейку пластины на подложку, шлифовку и полировку второй стороны пластины и нанесение второго электропроводящего зеркального покрытия. В этом способе используется органический клей.

Недостатком устройства и способа его изготовления является то, что такой лазерный экран не может работать достаточно эффективно длительное время при температурах, близких к комнатной температуре. Если толщину монокристаллической пластины делают значительно большей, чем характерная глубина проникновения электронов в лазерный экран, то из-за сильного поглощения излучения в невозбужденной области монокристаллической пластины эффективность лазерного экрана при работе при комнатной температуре мала. Если толщину монокристаллической пластины делают сравнимой с характерной глубиной проникновений электронов в лазерный экран, то эффективность лазерного экрана остается достаточно высокой даже при комнатной температуре. Однако срок службы такого экрана мал из-за быстрого разрушения клеевого слоя под действием частично проникающего в этот слой электронного пучка, а также из-за наличия высоких термоупругих напряжений на границе монокристаллическая пластина - клеевой слой, обусловленных низкой теплопроводностью клеевого слоя.

Известен полупроводниковый лазер с оптической накачкой, который в качестве активной среды содержит многослойную структуру, состоящую из активных, отражающих и пассивных монокристаллических эпитаксиальных слоев с различными значениями ширины запрещенной зоны и показателя преломления (Jewell J.L. et. al. Vertical cavity single quantum well laser. Appl. Phyb. Lett. 1989. Vol.55. P.424).

Данная структура может быть использована в качестве лазерного экрана электронно-лучевой трубки. Ее особенностью является то, что в ней отсутствует клеевой слой, один из слоев структуры выполнен толстым и несет функции прозрачной хладопроводящей подложки и, кроме того, как и все остальные слои отражающие слои являются монокристаллическими.

Известен способ изготовления подобных структур, включающий последовательное эпитаксиальное наращивание слоев различного состава химическим осаждением из элементоорганических соединений (Koyama F. et. al. GaAIAs/GaAs MOCVD Growth for Surface Emitting Laser. Jap. J. of Appl. Рhуs. 1987. Vol.26. N 7. P.1077-1081.).

Этот способ осуществим лишь при высоком структурном совершенстве ростовых подложек и хорошем согласовании параметров решеток всех наращиваемых монокристаллических слоев.

Недостатком устройства и способа его изготовления является то, что такие структуры удается вырастить лишь для ряда полупроводниковых соединений A₃B₅, излучающих в ближней инфракрасной области спектра.

Наиболее близким к изобретению является лазерный экран, содержащий прозрачную подложку и структуру, состоящую из последовательно расположенных серебряного зеркального покрытия, активного полупроводникового слоя, пассивного прозрачного полупроводникового слоя и многослойного полупрозрачного покрытия, которым структура приклеена к подложке (Кацап В.Н. и др. Гетероструктуры CdS_xSe_1-x/CdS в лазерах с продольной накачкой электронным пучком. Квантовая электроника. 1987. Т.14. N 10. C.1994-1997).

В данной работе описан и наиболее близкий к изобретению способ изготовления лазерного экрана, при котором монокристаллическую полупроводниковую пластину необходимой ориентации полируют с одной стороны, наращивают на эту сторону пассивный слой из близкого по составу, но более широкозонного полупроводникового соединения, полируют наращенный слой, наносят полупрозрачное диэлектрическое покрытие на этот слой, приклеивают пластину на подложку, шлифуют и полируют вторую сторону монокристаллической полупроводниковой пластины и наносят глухое металлическое покрытие.

В этом способе пассивный слой наращивается методом статической пересублимации в квазизамкнутом объеме при температуре 1175-1225 К в атмосфере аргона или водорода. У лазерного экрана, изготовленного этим способом, граница монокристаллическая пластина пассивный слой находится внутри оптического резонатора, образованного металлическим и диэлектрическим зеркалами. Толщина пассивного слоя может быть достаточно большой, чтобы удалить клеевой слой на необходимое расстояние от области возбуждения электронным пучком.

Недостатком данного устройства и способа его изготовления является то, что такие лазерные экраны имеют низкую эффективность излучения при комнатной температуре в видимой или в ближней ультрафиолетовой области спектра. Для изготовления лазерных экранов, излучающих в этих областях спектра, используются полупроводниковые соединения A₂B₅, для которых наращивание пассивного слоя описанным методом приводит к ухудшению излучательных свойств активного слоя.

Целью настоящего изобретения является увеличение эффективности излучения при комнатной температуре лазерного экрана электронно-лучевых трубок без уменьшения срока службы.

Поставленная цель достигается тем, что в лазерном экране, содержащем прозрачную хладопроводящую подложку и приклеенную к ней структуру, состоящую из монокристаллического слоя полупроводникового соединения, помещенного между многослойным полупрозрачным и электропроводящим высокоотражающим зеркалами, образующими оптический резонатор, и из пассивного слоя, выполненного из полупроводникового соединения с шириной запрещенной зоны не меньшей, чем у полупроводникового соединения активного слоя, пассивный слой наращен на многослойное полупрозрачное зеркало и размещен вне оптического резонатора между полупрозрачным зеркалом и подложкой.

Для реализации поставленной цели в способе изготовления лазерного экрана электронно-лучевой трубки, при котором монокристаллическую пластину из полупроводникового соединения полируют с одной стороны, наносят на эту сторону пассивный прозрачный полупроводниковый слой и частично пропускающее зеркальное покрытие, приклеивают пластину к подложке, обрабатывают обратную сторону пластины и наносят на нее электропроводящее зеркальное покрытие, сначала на полированную сторону пластины наносят термо- и химическистойкое частично пропускающее многослойное покрытие, а затем наращивают пассивный слой химическим осаждением из паровой фазы, причем для изготовления лазерного экрана, излучающего в зеленой области спектра, термо- и химическистойкое частично пропускающее многослойное покрытие наносят при 450-600К распылением в вакууме ZrO₂ и Al₂O₃, а пассивный слой также из CdS наращивают в кварцевом реакторе при температуре 750-1100K и соотношении мольных расходов паров кадмия, сероводорода и нейтрального газа аргона (1 - 1,5):1:(200-400) до толщины 15-30 мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что, вынося пассивный слой из оптического резонатора путем изменения порядка операций в изготовлении лазерного экрана, удается удалить клеевой слой из области возбуждения электронным пучком без ухудшения излучательных характеристик монокристаллического полупроводникового слоя.

В прототипе пассивный слой является монокристаллическим и имеет непосредственный контакт (на молекулярном уровне) с активным слоем. Поскольку такой контакт достигается для полупроводниковых соединений A₂B₆, излучающих в видимой или ближней ультрафиолетовой области спектра, лишь путем наращивания одного слоя на другой при высоких температурах, то во время этого наращивания происходит эффективный обмен атомами этих слоев. В частности, если вы наращиваете Cds на слой CdSSe, то на границе этих слоев, при температуре 1200К идет обмен атомами S и Sе. Атомы Se из слоя CdSSe диффундируют в слой CdS, а их места занимают атомы S из слоя CdS. При этом возникает большое количество точечных дефектов типа вакансий и междоузельных атомов, которые имеют значительно большие коэффициенты диффузии, быстро распространяются по объему слоев и образуют безызлучательные центры рекомбинации, ухудшающие излучательные свойства активного слоя, особенно при комнатной температуре.

В предложенном техническом решении между активным и пассивным слоями расположено термо- и химическистойкое частично пропускающее многослойное покрытие. Это покрытие предотвращает взаимодействие активного и пассивного слоев 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 химическистойким, то наращивание на него пассивного слоя 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, SiО₂ HfО₂, 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 CdSSe) 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 полупроводниковой пластине напыление необходимо проводить при температуре пластины T=450-600К. Если напыление проводить при Т<450К, то покрытие разрушается при наращивании пассивного слоя. Если напыление проводить при Т>600К, то возможно окисление поверхности полупроводника, что приводит к изменению как излучательных свойств активного слоя, так и к изменению свойств зеркала.

Требования к оптическим характеристикам пассивного слоя существенно более низкие, чем в случае, когда он находится внутри резонатора. В частности, он может быть поликристаллическим и может быть наращен при существенно более низких температурах, чем в известных способах. Одним из наиболее эффективных методов выращивания полупроводниковых соединений при пониженных температурах является метод химического осаждения из паровой фазы (CVD). Температурный диапазон наращивания пассивного слоя и соотношение газовых потоков зависят от материала пассивного слоя и приемлемой скорости наращивания. Кроме того, с уменьшением температуры наращивания ниже 750К адгезия пассивного слоя к зеркалу становится недостаточно высокой (полупроводники на окислы садятся хуже, чем окислы на полупроводники), а при температуре наращивания выше 1100K зеркала растрескиваются даже для наиболее удачной пары ZrO₂ и Al₂O₃. Проведение наращивания при более низкой температуре приводит к снижению упругих напряжений в лазерном экране и в результате к увеличению его срока службы.

Если пассивный слой расположен не между полупрозрачным зеркалом и подложкой, то он является первым слоем со стороны электронного пучка и не является пассивным.

Если пассивный слой не будет наращен, то есть не будет пристыкован 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.

Для работы при комнатной температуре толщину монокристаллической полупроводниковой пластины делают равной характерной глубине проникновения электронов в лазерный экран, составляющей 5-10 мкм для электронов с энергией 50-75 кэВ. Однако полный пробег электрона по криволинейной траектории примерно в 4 раза больше. Поэтому для того, чтобы предотвратить проникновение электронов в клеевой слой, толщина пассивного слоя должна быть не меньше 15-30 мкм для энергии электронов 50-75 кэВ. При наращивании пассивного слоя толщиной до 30 мкм коэффициент потерь на рассеяние и поглощение в этом слое на длине волны генерируемого излучения может иметь значения 30-100 см^-1, и в качестве материала пассивного слоя может быть использовано то же полупроводниковое соединение, что и у монокристаллической пластины. При этом достигается идеальное согласование коэффициентов температурного расширения пластины и пассивного слоя. Помещение же этого пассивного слоя внутрь резонатора, как уже отмечалось выше, приводит к существенному уменьшению эффективности излучения лазерного экрана при комнатной температуре.

Толщина пассивного слоя может быть существенно увеличена, если изменить его состав относительно состава полупроводникового соединения монокристаллической пластины в сторону увеличения ширины запрещенной зоны на величину порядка 0,1эВ. При использовании в качестве полупроводниковых соединений твердых растворов соединений A₂B₆, таких как CdS_xSe_1-x, ZnS_xSe_1-x, Zn_xCd_1-xS, и Zn_1-xCd_xSe, указанное выше приращение ширины запрещенной зоны достигается изменением параметра состава х на величину не более чем 0,15.

Проблема изготовления лазерного экрана, эффективно излучающего при комнатной температуре и имеющего достаточно большой сpoк службы, обсуждалась в литературе неоднократно. Однако до сих пор решение этой проблемы связывалось с разработкой технологии выращивания двух- или многослойных гетероструктур. Подобные гетероструктуры, к сожалению, не удается изготовить из широкозонных полупроводниковых соединений, излучающих в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Авторам не известны работы, в которых эта проблема решается путем наращивания пассивного слоя полупроводникового соединения на поверхность монокристаллической пластины с уже нанесенным частично пропускающим зеркальным покрытием.

В связи с выше изложенным авторы считают, что заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 активный монокристаллический слой; 2 - пассивный слой; 3 электропроводящее высокоотражающее зеркальное покрытие; 4 частично пропускающее многослойное зеркальное покрытие; 5 клеевой слой; 6 прозрачная хладопроводящая подложка; e^- электронный пучок; hν - электромагнитное излучение.

На фигуре 1 представлен схематично лазерный экран по прототипу, а на фигуре 2 по предлагаемому техническому решению.

Лазерный экран по прототипу содержит структуру из активного монокристаллического слоя 1 полупроводникового соединения, пассивного слоя 2, выполненного из более широкозонного полупроводникового соединения и наращенного на активный слой, электропроводящего высокоотражающего покрытия 3 на активном слое и частично пропускающего многослойного зеркального покрытия 4, которая пристыкована посредством клеевого слоя 5 к прозрачной хладопроводящей подложке 6.

Лазерный экран по заявляемому техническому решению содержит структуру из активного монокристаллического слоя 1 полупроводникового соединения, заключенного между электропроводящим высокоотражающим зеркальным покрытием 3 и частично пропускающим многослойным зеркальным покрытием 4, образующими как и в прототипе оптический резонатор, и из пассивного слоя 2, расположенного вне резонатора между покрытием 4 и прозрачной хладопроводящей подложкой 6. Структура закреплена на подложке посредством клеевого слоя 5.

Лазерный экран по заявляемому техническому решению работает следующим образом. Электронный пучок е^-, проникая через покрытие 3 в активный слой 1, создает в нем условия оптического усиления собственного излучения, в результате чего в оптическом резонаторе, образованном покрытиями 3 и 4, возникает режим генерации электромагнитного излучения hν, которое через покрытие 4, пассивный слой 2 без поглощения в нем, клеевой слой 5 и прозрачную хладопроводящую подложку 6 выходит из лазерного экрана наружу. Электронный пучок частично проникает через покрытие 4 и в пассивный слой 2, однако достаточная толщина пассивного слоя полностью препятствует прохождению электронного пучка в клеевой слой. Излишек заряда, вносимый электронным пучком в лазерный экран, стекает из пассивного и активного слоев, а также из тонкого покрытия 4, являющегося электропроводящим под воздействием электронного пучка, через электропроводящее покрытие 3 вдоль поверхности лазерного экрана. Тепло, выделяемое в основном в активном слое, отводится от лазерного экрана через боковую поверхность прозрачной хладопроводящей подложки, омываемую хладоагентом.

Способ изготовления лазерного экрана по заявляемому техническому решению иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Изготавливают из лейкосапфира подложку толщиной 10 мм и диаметром 60 мм с полированными поверхностями, из монокристаллического слитка СdS вырезают пластину-шайбу диаметром 50 мм толщиной 1,5 мм с ориентацией (0001), одну из сторон шлифуют и полируют химико-механическим способом, на эту сторону напыляют при температуре 550К интерференционное зеркальное покрытие, состоящее из 11 четвертьволновых слоев Al₂O₃ и ZrO₂, на это покрытие наращивают 30 мкм CdS известным методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) в кварцевой ампуле при температуре 850К и скорости роста 0,003 мкм/с (соотношение мольных расходов паров кадмия, сероводорода и нейтрального газа аргона выбирают 1,2 1 300), нарощенный слой сполировывают до толщины 25 мкм, пластину приклеивают эпоксидным клеем ОК-72Ф к подложке со стороны нарощенного слоя, пластину шлифуют и полируют химико-механическим способом до толщины 10 мкм, напыляют на эту полированную поверхность серебряное покрытие толщиной 0,08 мкм. Лазерный экран работает при комнатной температуре и излучает на длине волны 520 нм с эффективностью преобразования энергии электронного пучка в свет не менее 0,07. Оценочный срок службы не менее 1000 часов в режиме телевизионной развертки.

Пример 2. Изготавливают лазерный экран по примеру 1, но пластину вырезают из слитка CdS_0,9Se_0,1, а пассивный слой наращивают до толщины 110 мкм и сполировывают его до толщины 100 мкм. Лазерный экран излучает при комнатной температуре на длине волны 550 нм и имеет примерно те же значения по эффективности и сроку службы, что и в примере 1.

Пример 3. Изготовляют лазерный экран по примеру 2, но пластину вырезают из слитка ZrSe с ориентацией (111), а пассивный слой наращивают из полупроводникового соединения ZnS_0,1Se_0,9. Лазерный экран имеет те же характеристики, что и в примере 2, но излучает на длине волны 470 нм.

Пример 4. Изготовляют лазерный экран по примеру 2, но пластину вырезают из слитка Zn_0,4Cd_0,6Se, а пассивный слой из Zn_0,5Cd_0,5Se. Лазерный экран имеет те же характеристики, что и в примере 2, но излучает на длине волны 620 нм.

Пример 5. Изготовляют лазерный экран по примеру 2, но пластину вырезают из слитка Zn_0,9Cd_0,1S, а пассивный слой из ZnS. Лазерный экран имеет те же характеристики, что и в примере 2, но излучает в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 355 нм с эффективностью 0,05.

Формула изобретения

1. Лазерный экран электронно-лучевой трубки, содержащий прозрачную подложку и приклеенную к ней структуру, состоящую из активного монокристаллического слоя из полупроводникового соединения, помещенного между многослойным полупрозрачным и электропроводящим высокоотражающим зеркалами, образующими оптический резонатор, и из пассивного слоя, выполненного из полупроводникового соединения с шириной запрещенной зоны не меньшей, чем у полупроводникового соединения активного слоя, отличающийся тем, что пассивный слой наращен на многослойное полупрозрачное зеркало и размещен вне оптического резонатора между многослойным полупрозрачным зеркалом и прозрачной подложкой.

2. Способ изготовления лазерного экрана электронно-лучевой трубки, при котором монокристаллическую полупроводниковую пластину полируют с одной стороны, наносят на эту сторону прозрачный полупроводниковый пассивный слой и многослойное частично пропускающее зеркальное покрытие, приклеивают монокристаллическую полупроводниковую пластину к хладопроводящей прозрачной подложке, затем обрабатывают обратную сторону монокристаллической полупроводниковой пластины и наносят на нее электропроводящее высокоотражающее зеркальное покрытие, отличающийся тем, что сначала на полированную сторону пластины наносят многослойное частично пропускающее зеркальное покрытие из термо- и химическистойкого материала, а затем наращивают прозрачный полупроводниковый пассивный слой химическим осаждением из паровой фазы.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что многослойное частично пропускающее зеркальное покрытие наносят на монокристаллическую полупроводниковую пластину из CdS при температуре 450 600 К распылением в вакууме окислов ZrO₂ и Al₂O₃, а прозрачный полупроводниковый пассивный слой также из CdS наращивают в кварцевом реакторе при температуре 750 1100 K и соотношении мольных расходов паров кадмия, сероводорода и нейтрального газа аргона (1 1,5) 1: (200 400) до толщины 15 30 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2