RU184584U1

RU184584U1 - Photoelectric sensor for detecting optical radiation

Info

Publication number: RU184584U1
Application number: RU2018126379U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Евгеньевич Шашин
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и касается фотодиэлектрического чувствительного элемента для регистрации оптического излучения. Фотодиэлектрический чувствительный элемент включает в себя оптически прозрачную подложку и электроды встречно-штыревой конфигурации с расстоянием между штырями электродов 5 мкм, расположенные между прозрачной подложкой из оптического стекла марки КВ и тонкой пленкой оксида цинка с сопротивлением 10Ом⋅см. На поверхности тонкой пленки сформированы контактные площадки для проводящих выводов. Пленка оксида цинка формируется методом реактивного магнетронного распыления с дальнейшим отжигом при температуре 500C. Измерение оптического излучения осуществляется посредством изменения диэлектрической проницаемости тонкой пленки оксида цинка под действием оптического излучения. Технический результат заключается в устранении темнового тока при регистрации оптического излучения. 1 ил.The invention relates to the field of measurement technology and relates to a photodielectric sensor for detecting optical radiation. The photo-dielectric sensitive element includes an optically transparent substrate and interdigital electrodes with a distance between the electrode pins of 5 μm, located between a transparent KV optical glass substrate and a thin film of zinc oxide with a resistance of 10 Ω cm. On the surface of the thin film formed contact pads for conductive findings. A zinc oxide film is formed by reactive magnetron sputtering followed by annealing at a temperature of 500C. The measurement of optical radiation is carried out by changing the dielectric constant of a thin film of zinc oxide under the influence of optical radiation. The technical result is to eliminate the dark current during registration of optical radiation. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, и предназначена для регистрации и измерения электромагнитного излучения оптического диапазона. Полезная модель может быть использована в оптоэлектронике, приборостроении, информационно-измерительных системах.The utility model relates to measuring technique, and is intended for registration and measurement of electromagnetic radiation in the optical range. The utility model can be used in optoelectronics, instrumentation, information-measuring systems.

Наиболее близким аналогом модели является конструкция по патенту Российской Федерации №2627146, МПК H01L 31/101, содержащая матричное фотоприемное устройство на основе p-i-n фотодиодов.The closest analogue of the model is the design according to the patent of the Russian Federation No. 2627146, IPC H01L 31/101, containing a matrix photodetector based on p-i-n photodiodes.

Недостатком прототипа является высокий темновой ток, темновой ток является основной причиной шума в фотоприборе, что ухудшает чувствительность фотоприемника. Физической причиной существования темнового тока, являются тепловые генерации электронов и дырок в р-n переходе полупроводникового прибора.The disadvantage of the prototype is the high dark current, dark current is the main cause of noise in the photodetector, which affects the sensitivity of the photodetector. The physical reason for the existence of a dark current is the thermal generation of electrons and holes in the pn junction of a semiconductor device.

Технический результат состоит в устранении темнового тока, за счет регистрации оптического излучения, посредством изменения диэлектрической проницаемости тонкой пленки оксида цинка под действием оптического излучения.The technical result consists in eliminating the dark current due to registration of optical radiation by changing the dielectric constant of a thin film of zinc oxide under the influence of optical radiation.

Технический результат достигается тем, что фотодиэлектрический чувствительный элемент для регистрации оптического излучения, включающий оптически прозрачную подложку, согласно полезной модели чувствительный элемент содержит электроды встречно-штыревой конфигурации с расстоянием между штырями электродов 5 мкм, расположенных между прозрачной подложкой из оптического стекла марки КВ и тонкой пленкой оксида цинка с сопротивлением 10¹¹ Ом⋅см, полученной методом реактивного магнетронного распыления, с дальнейшим отжигом при температуре 500°С, на поверхности тонкой пленки оксида цинка сформированы контактные площадки для проводящих выводов.The technical result is achieved by the fact that the photo-dielectric sensitive element for detecting optical radiation, including an optically transparent substrate, according to a utility model, the sensitive element contains electrodes of the interdigital configuration with a distance between the electrode pins of 5 μm located between the transparent substrate made of KV optical glass and a thin film zinc oxide November ¹⁰ ohm-cm resistivity, obtained by reactive magnetron sputtering, with subsequent annealing at temperatures 500 ° C, on the surface of zinc oxide thin films are formed of conductive pads for leads.

На чертеже показан фотодиэлектрический чувствительный элемент для регистрации оптического излучения.The drawing shows a photodielectric sensor for detecting optical radiation.

Полезная модель включает электроды 1, выполненные по встречно-штыревой конфигурации, с расстоянием между штырями электродов 5 мкм, подложки 2 из оптического стекла марки КВ, тонкой пленки 3 оксида цинка с сопротивлением 10¹¹ Ом⋅см, полученной методом реактивного магнетронного распыления, с дальнейшим отжигом при температуре 500°С, электроды 1 расположены между стеклянной подложкой 2 и тонкой пленкой 3, на поверхности тонкой пленки оксида цинка сформированы контактные площадки для проводящих выводов 4.The utility model includes electrodes 1 made according to the interdigital configuration, with a distance between the pins of the electrodes of 5 μm, a substrate 2 of optical glass of the KV brand, a thin film of 3 zinc oxide with a resistance of 10 ¹¹ Ohm⋅cm, obtained by reactive magnetron sputtering, with a further annealing at a temperature of 500 ° C, the electrodes 1 are located between the glass substrate 2 and the thin film 3, on the surface of the thin film of zinc oxide formed contact pads for conductive conclusions 4.

Принцип действия прибора основан на фотодиэлектрическом эффекте. Фотодиэлектрический эффект, это изменение низкочастотной диэлектрической проницаемости материала, обусловленное действием излучения оптического диапазона.The principle of operation of the device is based on the photodielectric effect. The photodielectric effect is a change in the low-frequency dielectric constant of a material due to the action of radiation in the optical range.

Детектирование и измерение оптического излучения происходит, за счет измерения диэлектрической проницаемости тонкой пленки оксида цинка, что позволяет полностью устранить темновой ток.Detection and measurement of optical radiation occurs by measuring the dielectric constant of a thin film of zinc oxide, which completely eliminates the dark current.

Образец фотодиэлектрического чувствительного элемента для регистрации оптического излучения изготовлен по следующей технологии. На подложку 2 из оптического стекла марки КВ напыляли пленку алюминия с подслоем хрома Cr-Al. Суммарная толщина металлических пленок составляла 300…400 нм. Из пленки Cr-Al формировали электроды 1 методом контактной фотолитографии, в данном случае электроды можно рассмотреть, как обкладки плоского конденсатора. Конфигурация электродов 1 выбрана в виде структуры, которая используется для возбуждения поверхностных акустических волн типа встречно-штыревого преобразователя. Расстояние между соседними штырями электродов 5 мкм. В экспериментальном образце чувствительного элемента электроды 1 располагали между стеклянной подложкой 2 и тонкой пленкой 3 оксида цинка. Затем проводили межоперационную очистку подложки для удаления загрязнений с ее поверхности. Сверху электродной структуры напыляли пленку 3 оксида цинка толщиной 1100 нм, полностью покрывающую электроды 1. Пленку ZnO напыляли методом реактивного магнетронного распыления на установке вакуумного напыления УВН-71П3, модернизированной под магнетронное распыление. Цинковую мишень напыляли смесью аргона и кислорода (60% O₂+ 40% Ar), при давлении рабочей смеси в вакуумной камере 1 Па и температуре подложки 120°С. С целью увеличения удельного сопротивления тонкой пленки оксида цинка отжигали при температуре 500°С. Удельное сопротивление отожженной пленки возрастает на 5-6 порядков по сравнению с неотожженной и достигает 10¹¹ Ом⋅см, что позволяет уменьшить расстояние между электродами до 5 мкм, без закорачивания электродов. На поверхности пленки 3 оксида цинка формировали контактные площадки для проводящих выводов 4 с применением растворов химических травителей.A sample of the photodielectric sensor for detecting optical radiation is made using the following technology. An aluminum film with a chromium sublayer Cr-Al was sprayed onto a KV optical glass substrate 2. The total thickness of the metal films was 300 ... 400 nm. Electrodes 1 were formed from a Cr-Al film by contact photolithography; in this case, the electrodes can be considered as plates of a flat capacitor. The configuration of the electrodes 1 is selected in the form of a structure that is used to excite surface acoustic waves such as an interdigital transducer. The distance between adjacent electrode pins is 5 μm. In the experimental sample of the sensing element, the electrodes 1 were placed between the glass substrate 2 and a thin film of zinc oxide 3. Then, the inter-operational cleaning of the substrate was carried out to remove contaminants from its surface. A zinc oxide film 3 of a thickness of 1100 nm, completely covering electrodes 1, was sprayed on top of the electrode structure. A ZnO film was sprayed by the method of reactive magnetron sputtering at the UVN-71P3 vacuum spraying unit, modernized for magnetron sputtering. The zinc target was sprayed with a mixture of argon and oxygen (60% O ₂ + 40% Ar), at a pressure of the working mixture in a vacuum chamber of 1 Pa and a substrate temperature of 120 ° C. In order to increase the resistivity of a thin film of zinc oxide, it was annealed at a temperature of 500 ° C. The specific resistance of the annealed film increases by 5-6 orders of magnitude compared to unannealed and reaches 10 ¹¹ Ohm⋅cm, which allows to reduce the distance between the electrodes to 5 microns, without shorting the electrodes. On the surface of the zinc oxide film 3, contact pads were formed for conductive leads 4 using chemical etching solutions.

Проводящие выводы 4 чувствительного элемента подключали к измерителю иммитанса Е7-20, (на чертеже не показано), который позволяет регистрировать изменение емкости элемента от 0,001 пФ до 1Ф на частоте 1 МГц. Изменение диэлектрической проницаемости вычислялось на основании изменения емкости. Спектральные зависимости изменения емкости фотодиэлектрического чувствительного элемента снимали при облучении его светом в диапазоне длин волн 190…1100 нм (диапазон от 190 до 395 нм - дейтериевой лампой, от 395 нм до 1100 нм - галогенной лампой). Нагрев элемента измерялся с помощью термопарного преобразователя, и находился в пределах комнатной температуры 22°С.The conductive conclusions 4 of the sensitive element was connected to an E7-20 immitance meter, (not shown in the drawing), which allows you to register a change in the capacitance of the element from 0.001 pF to 1F at a frequency of 1 MHz. The change in dielectric constant was calculated based on the change in capacitance. The spectral dependences of the change in the capacitance of the photo-dielectric sensitive element were recorded when it was irradiated with light in the wavelength range of 190 ... 1100 nm (range from 190 to 395 nm with a deuterium lamp, from 395 nm to 1100 nm with a halogen lamp). The heating of the element was measured using a thermocouple transducer, and was within room temperature 22 ° C.

Детектирование и измерение оптического излучения происходит, за счет измерения диэлектрической проницаемости тонкой пленки оксида цинка, что позволяет полностью устранить темновой ток. Принцип действия прибора основан на фотодиэлектрическом эффекте. Фотодиэлектрический эффект, это изменение низкочастотной диэлектрической проницаемости материала, обусловленное действием излучения оптического диапазона.Detection and measurement of optical radiation occurs by measuring the dielectric constant of a thin film of zinc oxide, which completely eliminates the dark current. The principle of operation of the device is based on the photodielectric effect. The photodielectric effect is a change in the low-frequency dielectric constant of a material due to the action of radiation in the optical range.

Claims

A photodielectric sensitive element for detecting optical radiation, comprising an optically transparent substrate, characterized in that the sensitive element containing electrodes of the interdigital configuration with a distance between the electrode pins of 5 μm, located between the transparent substrate of optical glass grade KV and a thin film of zinc oxide with resistance 10 ¹¹ Ohm⋅cm obtained by reactive magnetron sputtering, with further annealing at a temperature of 500 ^o C, on the surface of a thin film of qi oxide Contact pads for conductive pins are formed.