Материал: 1382

31

перспективные среды для создания нелинейно-оптических устройств обработки информации в устройствах динамической голографии. Наиболее сильно нелинейные эффекты выражены в кристаллах силленитов

сбольшими электронно-оптическими коэффициентами (BaTiO3, стронций

–бариевый ниобат). Кубические кристаллы класса симметрии 23 имеют значительное удельное вращение плоскости поляризации. (От 6 град/мм в

Bi12TiO20 до 22 град/мм Bi12SiO20 и Bi12GeO20). Локальная нелинейность в этих кристаллах усиливается под действием электрического поля.

Оптоэлектронные элементы состоят из подложки, покрытой стекловидным материалом и оптического слоя с полным внутренним отражением, по которому распространяется световое излучение. Акустоэлектронный элемент на ПАВ представляет собой кристалл, на который нанесены полоски пленки. При подаче высокочастотного излучения на пленку, на поверхности кристалла возникает поверхностная акустическая волна. При пропускании лазерного излучения вдоль кристалла, возникает взаимодействие акустической волны с лазерным излучением.

На рис.4.18 представлены некоторые оптоэлектронные элементы.

Рисунок 4.18 - Некоторые элементы оптоэлектроники: а) – световод, б) элемент ПАВ, в)– гребенчатый волновод, г) – полосковый планарный волновод с внедренным активным слоем.

Различают одномодовые и многомодовые световоды и волноводы. Мода – это излучение, проходящее по волноводу и оставшееся после интерференции.

Различают световоды и волноводы со ступенчатым профилем показателя преломления и градиентные – у которых показатель преломления сердцевины уменьшается от центра к периферии. Число мод, формируемых градиентными приборами меньше числа мод, формируемых ступенчатыми, однако градиентные приборы создают меньшие искажения передаваемого сигнала. Физически наличие ограниченного дискретного числа мод можно объяснить тем, что через световод проходят только те волны, которые, отражаясь, совпадают по фазе (модовая дисперсия). Остальные же сигналы, вследствие интерференции затухают и к приемнику не проходят. Кроме модовой дисперсии, имеют место материальная и волноводная дисперсии, также ограничивающие пропускную способность световодов и волноводов. Материальная дисперсия состоит в том, что показатель преломления сердцевины зависит

32

от длины волны. Волноводная дисперсия возникает в одномодовых световодах и волноводах. Это связано с тем, что вследствие интерференции преобладает одна мода, способная к распространению.

Методы изготовления волноводов

Волноводы по способу изготовления различают ионообменные, диффузионные и имплантационные. Ионообменные волноводы получаются в результате ионного обмена, возникающего на поверхности кристалла при его окунании в растворы органических кислот (чаще бензольной кислоты). Диффузионные волноводы получают после высокотемпературной диффузии предварительно напыленной пленки титана, никеля, свинца и др. в основу волновода. Имплантационные волноводы получают путем внедрения в поверхность кристалла ионов определенного сорта. Наиболее высококачественными являются диффузионные волноводы, полученные методом термического испарения материалов в вакууме с последующей диффузией при атмосферном давлении. Однако процесс их изготовления требует тщательной очистки кристалла, вакуумной камеры, испарителя и навески, а также соблюдения количественных параметров технологического процесса.

Для усиления различных эффектов взаимодействия излучений волноводный слой может легироваться путем термического напыления в вакууме пленок железа, меди и др. с последующей диффузией.

Волоконные световоды (оптические волокна) изготавливают из полимеров, покрытых пленкой. Отдельные световоды объединяются в оптические кабели с прочным защитным покрытием. Технология их изготовления подобна технологии формирования многослойных покрытих.

4.9 Технология формирования акустоэлектронных элементов на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы. Монокристаллы отличаются совершенством структуры, обеспечивающей малые потери на распространение ПАВ (около 0,1-0,5 дБ/см на частотах до 1,5-2 Ггц). В качестве материалов с пьезоэффектом используются кварц, ниобат лития, танталат лития, иодат лития, германат висмута, силикат висмута.

Для снижения стоимости фильтров ПАВ, например телевизионных, при массовом производстве, необходимо использовать групповую технологию изготовления, что, в свою очередь, требует применения монокристаллов диаметром свыше 50-60 мм. При таких размерах пластин появляется возможность использования высокопроизводительного стандартного оборудования для изготовления ИМС.

33

В фильтрах с полосой пропускания 5–6% широко используется кварц. Для фильтров с полосой пропускания 50÷60% применяется в основном ниобат лития (LiNbO3), который позволяет реализовать малое вносимое затухание фильтра (до10 дБ при числе электродов не более 10).

К числу перспективных для использования в фильтрах ПАВ можно отнести танталат лития (LiTaO3), германат висмута (Bi12GeO20), парателлурид (TeO2), селен (Se), а также пленки окиси цинка (ZnO), и нитрида алюминия (AlN) на сапфире и некоторые другие. Кроме монокристаллических пьезоэлектриков для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут найти применение пьезокерамика. Пьезокерамики почти на порядок дешевле монокристаллов, но имеют значительное затухание распространяющихся ПАВ, резко увеличивающееся с частотой.

Общая схема изготовления фильтров ПАВ включает в себя следующие основные технологические операции: Кристалл – ориентировка – распиловка – шлифовка – полировка – очистка –

структур преобразователей и контактных шин) – монтаж – сборка – герметизация.

Одним из основных требований к звукопроводам фильтров ПАВ является высокий класс обработки их поверхности (13-14). Такой класс точности достигается шлифовкой с последующей полировкой пастами.

Ориентация пьезокристаллов для фильтров ПАВ выполняется на рентгеновских установках. Точность ориентировки определяется заданными отклонениями рабочей частоты фильтра и составляет около

±(1÷5)′.

После ориентации монокристаллы распиливаются. Затем на поверхность звукопроводов должно быть нанесено проводящее покрытие – металлизация.

Технология металлизации элементов ПАВ принципиально не отличается от технологии металлизации керамики. Наиболее широко для металлизации элементов ПАВ используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. Из способов металлизации наиболее широко используется термическое испарение материалов в вакууме. Использование электрофизических методов металлизации таких как магнетронное, катодное, электродуговое, ионно-лучевое и др. для пьезокристаллов неприемлемо в виду заряда поверхности, уменьшающего массоперенос паров на подложку.

В последнее время для обработки пьезоэлектриков используются высокочастотные или ионно-плазменные системы распыления. Для получения прямых профилей травления наиболее приемлемым оказывается ионно-лучевое травление в среде инертного газа. Отличие

34

применяемого метода от известных заключается в нейтрализации ионного потока и применении вакуумнодугового разряда для генерации ионов.

После окончания процесса травления рекомендуется провести отжиг кристалла для его «просветления».

4.10 Пути повышения радиационной стойкости электронных приборов

Суть проблемы состоит в необходимости повышения надежности электронных приборов при работе в тяжелых условиях (высокая температура, повышенное фоновое радиационное облучение в условиях атомных электростанций, повышенное рентгеновское или космическое излучение). Присутствие излучений приводит к появлению блуждающих токов и вызывает подачу ложных команд. Для повышения радиационной стойкости электронных приборов чаще вместо SiO2 формируют диэлектрические пленки тугоплавких металлов (ZrO,TaO), поскольку они более плотные, чем пленки SiO2. Среди методов формирования пленок предпочтение отдается методам эпитаксии.

Теория повышения радиационной стойкости

Болтакс Б.И. предложил в качестве критерия дефектообразования при облучении использовать значение молекулярной массы. Исходя из этого, при изменении молекулярной массы от 28,06 (Si) до 144,64 (GaAs) пороговое значение дефектообразования при электронном облучении изменится от 0,1 до 1,1 МэВ.

Параметром, определяющим процесс генерации электроннодырочных пар, является средняя энергия их образования, определяемая соотношением:

где Eg – ширина запрещенной зоны; hν – энергия оптического фотона; r– число фотонов.

Из этого уравнения следует, что пороговая энергия образования электронно-дырочных пар зависит от ширины запрещенной зоны. Расчет дает следующие значения для Ge – 2,8, Si – 3,6, GaAs – 4,8, GaP – 7,8,GaN

– 10,1 эВ.

Параметром, определяющим деформацию и разрушение кристаллической решетки, является энергия смещения атомов из узла решетки Ed, которая не зависит от типа излучения.

где Sk – коэффициент, отражающий тип кристаллической решетки; Eam – энергия атомизации; а – параметр решетки; Z – число валентных электронов смещаемого атома;

Eg – ширина запрещенной зоны; Eb – энергия ковалентной связи; EL –

35

энергия искажения решетки.

Основной вклад дают связанные друг с другом энергия атомизации и ширина запрещенной зоны. Расчет дает следующие значения энергии смещения Ed,: – для Ge – 11, Si – 13, GaAs – 10, GaP – 17, GaN – 28.

Аналогичная закономерность наблюдается и для твердых растворов подобных соединений: (т.е. с ростом Ed, возрастает радиационная стойкость).

Термоустойчивость материалов. Термоустойчивость материалов связана с тепловыми колебаниями решетки. Амплитуда тепловых колебаний зависит от температуры. Полную энергию решетки можно выразить как:

где θD – характерный параметр, называемый температурой Дебая. Температура Дебая – как и всякая температура – это точка равновесия, ниже которой движение атомов описывается зонной теорией и квантовомеханическими свойствами, выше которой описание проводится законами классической статистической физики (распределением Больцмана, Максквела).

Влияние электромагнитных полей. Как следует из физики полупроводников, при слабых электрических полях дрейфовая скорость в полупроводнике пропорциональна электрическому полю, а коэффициент пропорциональности – подвижность носителей – не зависит от электрического поля. Однако, если поле велико, то наблюдается нелинейность изменения подвижности.

Основные требования к материалам экстремальной электроники (по Болтаксу Б.И):

1)ширина запрещенной зоны – определяет рабочую температуру

прибора;

2)температура Дебая – определяет общую устойчивость элементов

квнешнему воздействию (температура, радиация, электромагнитные поля);

3)скорость насыщения дрейфа носителей – определяет допустимую плотность тока, рабочее напряжение и соответственно мощность устройства;

4)подвижность носителей заряда (µ) – совместно с шириной запрещенной зоны определяет частотные и усилительные свойства;

5)критическая напряженность электрического поля – определяет максимальную электрическую нагрузку.