Техническая новизна и сравнение с аналогами

Первые сообщения о свето- и фотодиодах, работающих в средней ИК области спектра (3-5 мкм), появились более 20 лет назад, однако их применение сдерживалось невысокими техническими характеристиками при комнатной и повышенных температурах, а также высокой стоимостью.

Предлагаемая нами продукция – семейство свето- и фотодиодов на основе гетероструктур из материалов А3В5 - In(Ga)As(Sb)/InAsSbP. Изменение состава получаемых слоев, позволило получить набор приборов с максимумами излучения/чувствительности на длинах волн 2.9, 3.4, 3.6, 3.8, 4.0, 4.2, 4.7, и 5.5 микрометра.

Данные продукты были получены с использованием ряда технических решений, которые позволили значительно (до порядка и более) улучшить значения излучаемой мощности, чувствительности и энергопотребления. Впервые в средней ИК области была реализована “флип-чип” конструкция свето- или фотодиода (см рис.), характерными чертами которой являются:

• вывод или ввод излучения (для светодиода и фотодиода, соответственно) через свободную от контактов поверхность;
• активная область прибора, расположенная максимально близко к теплоотводу (Si подложке);
• наклонные стеки мезы, ограничивающей активную область диода, и способные играть роль встроенного микрорефлектора/концентратора излучения.

В результате происходит улучшение оптических и электрических параметров диодов, а также появляются дополнительные возможности по их корпусированию, включая дальнейшую стыковку чипов с иммерсионными линзами или оптическими волокнами, или формирование на излучающей поверхности просветляющих покрытий или фотонных кристаллов.

Для реализации такой конструкции диода, требуется наличие прозрачной для излучения подложки, на которой растятся активная область и другие рабочие слои диода. Новизна подхода ИоффеЛЕДа, заключается в использовании в качестве подложек – сильнолегированного донорной примесью арсенида индия, в котором происходит увеличение оптической ширины запрещенной зоны (эффект Мосса-Бурштейна), и соответственно, увеличение оптического пропускание в области коротких длин волн. Дополнительным, положительным эффектом такого подхода, является значительное уменьшение их последовательного сопротивления диодов, и возможность работы при больших токах накачки.

Большая величина показателя преломления полупроводникового материала из которого изготавливаются диоды (n=3.5), приводит к потере большей части излучения из-за его отражения обратно в кристалл, на границе полупроводник/воздух. Для увеличения эффективности вывода излучения, например в видимой области спектра, распространена стыковка чипов с полимерными линзами, имеющими сферическую или близкую к ним форму. Чипы светодиодов приклеиваются прозрачным для данной области спектра оптическим клеем или вплавляются в поверхность линзы. Схематическое изображение такой сборки, представлено на рисунке выше. Увеличение угла падения лучей на границе раздела полупроводник/воздух при наличии оптического клея, отмеченное на рисунке, соответствует увеличению эффективности вывода излучения и интегральной мощности излучения. Из-за отсутствия воздушного промежутка между поверхностями чипа и линзы, линза получила название иммерсионной. Помимо увеличения эффективности вывода излучения, стыковка с линзой, приводит к концентрации излучения в узком угле в светодиодах - сужении диаграммы направленности, что уменьшает потери при сборе излучения. Использование данной конструкции применительно к фотодиодам, приводит к увеличению площади чувствительной площадки и, соответственно обнаружительной способности, без ухудшения электрических характеристик диода, и увеличения расхода материала полупроводниковой пластины. Для реализации данного подхода применительно к средней ИК области спектра, в компании была разработана технология стыковки чипа и кремниевой линзы с помощью халькогенидного стекла с высоким показателем преломления (n=2.4).

Реализация данных технических решений привела к появлению иммерсионных свето- и фотодиодов в средней ИК области спектра с наилучшими параметрами обнаружительной способности (фотодиоды), мощности и энергопотребления (светодиоды) среди коммерческих предложений и опубликованных в научно-технической литературе данных. Обобщая, можно выделить следующие преимущества иммерсионных флип-чип диодных источников и приемников излучения для потребителей, по сравнению с существующими альтернативами:

Светодиоды:

• низкое энергопотребление (высокий коэффициент полезного действия)
• возможность работы как в импульсном, так и непрерывном режимах
• широкий диапазон токов накачки и частот модуляции (по сравнению с существующими светодиодными аналогами, используемые конструктивные решения обеспечивают, более чем 3-х кратное увеличение мощности излучения и возможность работы в непрерывном режиме вплоть до токов накачки 200 мА)
• концентрация излучения в узком угле (до 15 градусов)
• взрывобезопасность (разогрев диода не превышает 20 градусов против 750 или более градусов у тепловых источников излучения)

Фотодиоды:

• максимальная чувствительность
• не требует внешнего смещения (в режиме фотоэдс)
• возможность детектирования как импульсных, так и непрерывных сигналов (в частности, по сравнению с фотосопротивлениями, фотодиоды обладают возможностью детектировать непрерывное излучения, не требуют источника питания и имеют более чем десятикратное превосходство по чувствительности и быстродействию)
• малый угол зрения (до 15 градусов)

Общими чертами являются:

• высокое быстродействие (скорость модуляции достигает 100 МГц против 50-100 Гц у лучших тепловых источников)
• срок службы до 100 000 часов (против 5-7 тысяч у тепловых источников излучения)
• широкий диапазон рабочих температур (-50 - +60 оС)
• малые габариты
• широкие возможности подстройки излучательных параметров под индивидуальные требования заказчика
• «относительно, невысокая» стоимость (по сравнению с лучшими зарубежными фотодиодными аналогами, предлагаемые фотодиоды при близких технических характеристиках имеют от 2-х до 5 раз меньшую стоимость)

Использование предлагаемых компонентов, позволяет значительно (до 10 и более раз) улучшить параметры, так называемых «Mid InfraRed» сенсоров:

• увеличить чувствительность и быстродействие
• уменьшить энергопотребление
• увеличить надежность и срок службы