Способ увеличения чувствительности и быстродействия фотоэлектрического преобразователя перемещений в код

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в авиационной и космической технике при производстве летательных аппаратов. Технический результат изобретения: повышение чувствительности, быстродействия, устранение эффекта размывания светового потока на поверхности фотоэлемента и повышение эффективности поглощения светового потока фотоэлементом. Сущность: просвечивание фотоэлектрического преобразователя в код, выполненного в виде p-n-перехода, осуществляют когерентным пучком с плоским волновым фронтом, направленным по одной оптической оси в плоскость фотоэлектрического преобразователя. На поверхности фотоэлемента формируют дифракционный микрорельеф, параметры которого жестко связаны с параметрами светового потока зависимостью f=2λ/b, где f - угол расхождения светового потока в направлении точки наблюдения, λ - длина волны света, a b - ширина канавки дифракционного микрорельефа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в авиационной и космической технике при производстве летательных аппаратов.

Известен способ измерения перемещений (1. Патент ЕР 0316093 А 2., 2. Патент US 006134006 A, G01В 9/02) путем освещения объекта пучком когерентного света, приема рассеянного света и обработки сигналов по схеме классического интерферометра. Однако метод достаточно сложен, может быть использован при измерении относительно небольших перемещений и не позволяет выполнять измерения в реальном масштабе времени, например при определении траектории или изменяющихся координат объекта.

Известен приемник электромагнитного излучения (Авторское свидетельство СССР, №1825246, МПК H01L 31/04, опубликованный 10.04.95, Бюл. №10), в котором увеличение чувствительности и быстродействия достигают путем последовательного формирования слоя корректирующего диэлектрика и чувствительного к световому потоку элемента, выполняемого в виде вертикального p-n-перехода с контактами и многослойной системы чередующихся слоев металл - диэлектрик. Преобразование светового потока в электрический сигнал осуществляется в этом случае путем нагрева многослойной структуры световым потоком. Многослойная структура является тепловым источником для обратносмещенного вертикального p-n-перехода. Образовавшийся тепловой поток нагревает p-n-переход и изменяет величину обратного тока.

К недостаткам приемника электромагнитного излучения следует отнести: достаточно большую инерционность механизма передачи тепла через металлические контакты p-n-перехода, которые и отражают тепловой поток, и обладая лучшей теплопроводностью, отводят тепловой поток к периферии p-n-перехода, что ухудшает такие параметры, как быстродействие и чувствительность; формирование вертикального p-n-перехода с контактами и многослойной системы чередующихся слоев металл - диэлектрик является технически сложной, а следовательно, и дорогостоящей задачей. Выполнение этих требований значительно усложняет и удорожает процесс преобразования светового потока в электрический сигнал.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления формирователя изображения на ПЗС саморегулирующего типа (Патент Российской Федерации, №2038652, МПК H01L 31/18, опубликованный 27.06.95, Бюл. №18), в котором формирование светового потока, достигающего фотоприемника, осуществляется маскирующим слоем с кодирующими окнами, расположенным непосредственно на поверхности подложки фотоприемника. В качестве фотоприемника служит ПЗС. Эффект размывания светового потока, падающего на фотодиод, достигается в этом случае созданием светонепроницаемых слоев путем физического процесса осаждения испарением, их травления и высокотемпературного отжига. Однако метод достаточно сложен в изготовлении и в случае использования в качестве фотоприемника p-n-перехода не в состоянии обеспечить высокие чувствительность и быстродействие.

В основу изобретения поставлена задача повышения чувствительности, быстродействия и устранения эффекта размывания светового потока на поверхности фотоэлемента и повышения эффективности поглощения светового потока фотоэлементом.

Данная задача решается за счет того, что просвечивание фотоэлектрического преобразователя в код, выполненного в виде p-n-перехода, осуществляют когерентным пучком с плоским волновым фронтом, направленным по одной оптической оси в плоскость фотоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что в структуре поверхности плоского p-n-перехода формируют дифракционный микрорельеф по закону кодирующего сигнала, глубину канавок (h) которого выполняют согласно неравенству H+L_D>h>H, где L_D - диффузионная длина свободных носителей заряда p-n-перехода, а Н - пассивная толщина полупроводника между L_D и поверхностью фотоэлемента. Кроме того, размытие светового потока устраняют путем помещения процесса взаимодействия светового потока с p-n-переходом между боковыми поверхностями микропрофиля канавки дифракционного микрорельефа в области ее дна.

Дифракционный микрорельеф формируют на поверхности фотоэлемента, с параметрами, жестко связанными с параметрами светового потока зависимостью f=2λ/b, где f - угол расхождения светового потока в направлении точки наблюдения, λ - длина волны света, a b - ширина канавки дифракционного микрорельефа.

На чертеже представлена схема расположения дифракционного микрорельефа и структура фотоэлемента.

Изготовление p-n-переходов осуществляется чаще всего путем внедрения атомов примесей в полупроводник методом диффузии. В этом случае атомы примесей перемещаются с поверхности полупроводника в его объем, распределяясь в кристалле по нелинейному закону, например по экспоненте или erfic-функции. Из этого следует, что в области Н будет сосредоточено максимальное количество атомов примесей, которые служат эффективными центрами рекомбинации, значительно уменьшая время жизни свободных носителей заряда. Поэтому для доставки свободных фотоэлектронов (свободные электроны, возникающие при ионизации валентных электронов квантами энергии светового потока) в область пространственного заряда p-n-перехода необходима значительная их концентрация, что, в свою очередь, требует применения высокоинтенсивных световых потоков. Чувствительность фотоприемника при этом уменьшается. С другой стороны, перемещение фотоэлектронов в этой области осуществляется по диффузионным механизмам, отличительным свойством которых является крайне низкое быстродействие. Поэтому эта область полупроводника мало пригодна для образования долгоживущих фотоэлектронов.

В области диффузионной длины свободных носителей заряда L_D концентрация примесных атомов значительно уменьшается. Кроме этого на область L_D распространяется действие электрического поля области пространственного заряда p-n-перехода, и свободные фотоэлектроны перемещаются уже путем дрейфа в соответствии с его законами. Скорость их движения в этом случае значительно возрастает. Оба явления значительно уменьшают вероятность возникновения процессов рекомбинации и время жизни свободных носителей заряда (фотоэлектронов) увеличивается. Это позволяет значительно большей части фотоэлектронов достигнуть области пространственного заряда p-n-перехода и принять участие в процессе формирования фототока. Причем количество таких фотоэлектронов будет увеличиваться по мере приближения к области пространственного заряда p-n-перехода. Образование свободных фотоэлектронов вблизи d (d - толщина слоя объемного заряда p-n-перехода) увеличивает эффективность преобразования светового потока в электрический сигнал, т.к. практически каждый квант - свет с энергией Е_ф≥E_и, Е_ф - энергия кванта света; Е_и - энергия ионизации атомов полупроводника, участвует в возникновении фотоэффекта и образовании фотоэлектрона. Из этого следует, что для образования нужной концентрации фотоэлектронов потребуется уже меньшая интенсивность светового потока, т.е. происходит увеличение чувствительности прибора.

Таким образом, устранение необходимости затраты времени на преодоление области Н и частично области L_D способствует увеличению быстродействия фотоприбора, а уменьшение количества квантов света (интенсивности светового потока) в формировании электрического тока способно увеличить и его чувствительность. В заключение следует отметить, что прохождение светового потока через дифракционный микрорельеф полностью устраняет и возможность его размывания.

Способ осуществляют следующим образом.

На поверхности полупроводниковой пластины с p-n-переходом, например выполненной из кремния, методами фотолитографии формируют маску дифракционного микрорельефа в форме кодирующего кода.

Полученную структуру помещают во фторсодержащую низкотемпературную плазму и травлением формируют на поверхности полупроводника (кремния) дифракционный микрорельеф. После проведения процесса травления маску удаляют или химическими методами или в кислородосодержащей низкотемпературной плазме. Применение кислородосодержащей плазмы позволяет, не прекращая технологического процесса после удаления фоторезистивной маски, сформировать на поверхности дифракционного микрорельефа защитный слой окисла (SiO₂).

1. Способ увеличения чувствительности и быстродействия фотоэлектрического преобразователя в код, заключающийся в том, что просвечивание фотоэлектрического преобразователя в код, выполненного в виде p-n перехода, осуществляют когерентным пучком с плоским волновым фронтом, направленным по одной оптической оси в плоскость фотоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что в структуре поверхности плоского p-n перехода формируют дифракционный микрорельеф по закону кодирующего сигнала, глубину канавок (h) которого выполняют согласно неравенства H+L_D>h>H, где L_D - диффузионная длина свободных носителей заряда p-n перехода, а Н - пассивная толщина полупроводника между L_D и поверхностью фотоэлемента.

2. Способ увеличения чувствительности и быстродействия фотоэлектрического преобразователя в код по п.1, отличающийся тем, что размытие светового потока устраняют путем помещения процесса взаимодействия светового потока с p-n переходом между боковыми поверхностями микропрофиля канавки дифракционного микрорельефа в области ее дна.