Перетворення видимого світла в інфрачервоне випромінювання в монокристалах германію

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

УДК 621.315.592

Перетворення видимого світла в інфрачервоне випромінювання в монокристалах германію

(01.04.07 - фізика твердого тіла)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Богатиренко Вячеслав Валерійович

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України, м. Київ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “27” грудня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

випромінювання напівпровідник кристал

АНОТАЦІЯ

Богатиренко В.В. Перетворення видимого світла в інфрачервоне випромінювання в монокристалах германію.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню впливу випромінювання з області власного поглинання германію на теплове випромінювання германію за краєм власного поглинання при високих температурах (Т300 К).

Розглянуто теплове випромінювання (ТВ) напівпровідника за краєм власного поглинання. Показано, що його потужність залежить від концентрації вільних носіїв заряду, зміна якої може здійснюватись світлом з області власного поглинання. Збудження ТВ напівпровідника за краєм власного поглинання світлом з області власного поглинання можна розглядати як перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове (light down conversion). Більша частина потужності ТВ приходиться на область >3 мкм, в тому числі актуальні для теплобачення діапазони 3-5 та 8-12 мкм.

Сформульовані вимоги до напівпровідникового матеріалу, необхідні для ефективного перетворення світла видимого і ближнього ІЧ діапазонів в ІЧ випромінювання діапазонів 3-5 і 8-12 мкм. Показано, що для цього є придатним монокристалічний германій.

Теоретично і експериментально показано, що температурна залежність потужності надлишкового ТВ є немонотонною і що головною причиною немонотонності є збільшення з температурою коефіцієнта поглинання надлишкового ТВ рівноважними носіями внаслідок зростання їх концентрації. Визначений діапазон температур, в якому має місце температурна активація процесу light down conversion, і його залежність від параметрів напівпровідникового кристала: ширини забороненої зони, концентрації і типу домішок, товщини кристала. При зменшенні товщини кристала і збільшенні концентрації некомпенсованих домішок температурний діапазон активації розширюється. Визначено оптимальну концентрацію домішок, необхідну для досягнення максимальної потужності надлишкового ТВ.

Досліджено вплив одношарових просвітлюючих покриттів на потужність і спектральний розподіл надлишкового ТВ. Показано, що в результаті застосування покриттів максимальна потужність надлишкового ТВ в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм зростає майже до потужності ТВ абсолютно чорного тіла в цих діапазонах, а спектр надлишкового ТВ реструктурується.

На основі досліджень зроблено експериментальний прототип безконтактного перетворювача видимих зображень в ІЧ зображення, що може застосовуватись для динамічної імітації ІЧ сцен і тестування систем теплобачення. Обгрунтовано переваги цього імітатора над існуючими аналогами.

Експериментально показано, що германієвий ІЧ випромінювач на основі дослідженого явища light down conversіon може ефективно працювати до температури принаймні 300о С, при цьому його потужність складає десятки мВт/см2, а постійна часу знаходиться в мікросекундному діапазоні.

Ключові слова: кристалічні напівпровідники, край власного поглинання, поглинання вільними носіями, теплове випромінювання, light down conversion, фотонний випромінювач, інфрачервоні діапазони 3-5 і 8-12 мкм.

АННОТАЦИЯ

Богатыренко В.В. Преобразование видимого света в инфракрасное излучение в монокристаллах германия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарьова НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию влияния излучения из области собственного поглощения германия на тепловое излучение германия за краем собственного поглощения при высоких температурах (Т300 К).

Рассмотрено тепловое излучение (ТИ) полупроводника за краем собственного поглощения. В соответствии с законом Кирхгофа, мощность ТИ полупроводника в заданной области спектра пропорциональна излучательной способности полупроводника в этой области. Поскольку за краем собственного поглощения излучательная способность зависит от концентрации свободных носителей заряда, то изменение последней приводит к изменению мощности ТИ в этой области даже при постоянной температуре полупроводника. Изменение концентрации может осуществляться как контактными методами (например, инжекция через p-n-переход), так и бесконтактными (например, оптическая инжекция). Возбуждение ТИ полупроводника за краем собственного поглощения под действием света из области собственного поглощения можно рассматривать как преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое (light down conversіon). Для широкозонных полупроводников, в частности германия, край собственного поглощения лежит в ближней ИК или видимой области спектра, тогда как основная часть ТИ приходится на область >3 мкм, в том числе актуальные для тепловидения диапазоны длин волн 3-5 и 8-12 мкм.

Сформулированы требования к полупроводниковому материалу, необходимые для преобразования света видимого и ближнего ИК диапазонов в ИК излучение диапазонов 3-5 и 8-12 мкм. Показано, что для этих целей подходящим является монокристаллический германий.

Рассчитаны теоретически и измерены экспериментально температурные зависимости эффективности light down conversіon в пластинах германия разного уровня легирования и толщины. Определен диапазон температур, в котором имеет место температурная активация light down conversіon, и его зависимость от параметров полупроводникового кристалла: ширины запрещенной зоны, концентрации и типа примеси, толщины. В частности, для кристаллов германия с собственной проводимостью толщиной порядка 1 мм температурная активация имеет место до температур порядка 100-160о С. С уменьшением толщины кристалла и увеличением концентрации некомпенсированных примесей температурный диапазон активации расширяется. Показано, что главной причиной немонотонности температурной зависимости мощности избыточного ТИ является увеличения с температурой коэффициента поглощения ИК излучения равновесными носителями вследствие роста их концентрации, и что эффективность преобразования света для кристаллов n-типа, при прочих равных условиях, больше, чем для кристаллов p-типа. Определена оптимальная концентрация донорной примеси, необходимая для достижения максимальной мощности избыточного ТИ. В частности, для кристаллов германия толщиной порядка 1 мм оптимальная концентрация некомпенсированных доноров составляет порядка 1015 см-3 в диапазоне 8-12 мкм и порядка 1016 см-3 в диапазоне 3-5 мкм. Измерены и объяснены зависимости мощности избыточного ТИ от интенсивности возбуждающего света и кинетика избыточного ТИ при низком и высоком уровнях возбуждения, а также зависимость мощности избыточного ТИ от длины волны возбуждающего света при низком уровне возбуждения.

Исследовано влияние однослойных просветляющих покрытий на эффективность процесса light down conversіon. На основе расчетов и экспериментов с пластинами германия с покрытиями ZnS показано, что в результате уменьшения коэффициента отражения ИК излучения от поверхности германия максимальная мощность избыточного ТИ в диапазонах 3-5 и 8-12 мкм становится сравнимой с мощностью ТИ абсолютно черного тела в этих диапазонах, а спектр ТИ реструктуризируется.

Исследовано влияние неоднородного вдоль поверхности полупроводниковой пластины оптического возбуждения на распределение избыточного ТИ вдоль поверхности пластины. Экспериментально показано, что это распределение повторяет, с поправкой на диффузионное растекание избыточных носителей, распределение освещенности пластины. На основе этого сделан экспериментальный прототип бесконтактного преобразователя видимых изображений в ИК изображения, который может применяться для динамической имитации ИК сцен и тестирования тепловизионных систем. Обоснованы преимущества такого имитатора над существующими аналогами. Кроме того, экспериментально показано, что при наличии на части поверхности пластины непрозрачного в ИК области покрытия и равномерном освещении противоположной поверхности пластины возникает ИК изображение, границы которого определяются границами покрытия, в результате чего устраняется влияние диффузионного растекания на разрешающую способность имитатора. Выяснено, что путем подбора материала покрытия, температуры кристалла и освещенности можно имитировать ИК сцены как положительного, так и отрицательного контрастов, а также реализовать эффект исчезновения изображения в ИК диапазоне.

Экспериментально показано, что германиевый ИК излучатель на основе исследованного явления light down conversіon может эффективно работать до температуры как минимум 300о С, при этом его мощность составляет десятки мВт/см2, а постоянная времени находится в микросекундном диапазоне.

Ключевые слова: кристаллические полупроводники, край собственного поглощения, поглощение свободными носителями, тепловое излучение, light down conversion, фотонный излучатель, инфракрасные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм.

SUMMARY

Bogatyrenko V.V. Visible-to-infrared light conversion in germanium monocrystals. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Phys.-Math. Sci. Degree, specialty 01.04.07. - solid state physics. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The work deals with the investigation of nonequilibrium thermal emission (TE) of Ge monocrystals in the spectral band of free carrier absorption induced by band-to-bad light excitation at temperatures above 300 К.

TE of semiconductor beyond its intrinsic absorption edge is considered. It is shown that TE power depends on the free charge carrier concentration that can be varied with light from the intrinsic absorption region. Generation of semiconductor TE beyond the intrinsic absorption edge with light from the intrinsic absorption region may be considered as conversion of short-wavelength light to long-wavelength one (light down conversion). Most of the TE power occurs at wavelengths >3 µm (including the 3-5 and 8-12 µm ranges that are of importance for thermal imaging).

The requirements for semiconductor materials to ensure efficient conversion of light from near IR and visible regions in IR radiation lying in the 3-5 and 8-12 µm ranges are stated. Monocrystalline germanium is shown to be suitable for this.

It is shown, both theoretically and experimentally, that thermal dependence of excess TE power is non-monotone; the main reason for this is that the coefficient of excess TE absorption by equilibrium charge carriers increases with temperature due to increase of their concentration. The temperature range is determined where thermal activation of the light down conversion occurs, as well as its dependence on the semiconductor crystal parameters (bandgap, impurity type and concentration, crystal thickness). As crystal thickness decreases and concentration of uncompensated impurities increases, the temperature range of activation becomes wider. The optimal impurity concentration that is required to obtain maximal excess TE power is determined.

The effect of single-layer antireflecting coatings on radiating power and spectral distribution of excess TE is investigated. It is shown that, due to application of coatings, maximal excess TE power in the 3-5 and 8-12 µm ranges increases up to almost the TE power of blackbody in these ranges, and the excess TE spectrum is modified.

On the basis of the investigations, a prototype of contactless converter of visible images in IR ones is made. It may be used for dynamic IR scene projection and testing of thermal imaging systems. The advantages of this projector over the existing analogs are proved.

It is shown experimentally that germanium IR emitter operating on the basis of the investigated effect of light down conversion can function efficiently up to a temperature of, at least, 300 С; in this case its radiating power is tens of mW/cm2 and the time constant lies in the microsecond region.

Key words: crystalline semiconductors, intrinsic absorption edge, absorption by free charge carriers, thermal emission, light down conversion, photonic emitter, 3-5 and 8-12 µm infrared ranges.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На інфрачервоні (ІЧ) діапазони спектра 3-5 мкм (MW - середньохвильовий) і 8-12 мкм (LW - довгохвильовий) припадають вікна прозорості атмосфери і значна частина потужності теплового випромінювання (ТВ) тіл з Т300 К і вище, що є основою для пасивної локації об'єктів. Представляють практичний інтерес також активна локація і оптичний зв'язок у вікнах прозорості, детектування шкідливих газів в ІЧ області. Науковий інтерес обумовлений можливістю вивчення фізичних властивостей речовин і об'єктів шляхом вимірювання спектральних, просторових і часових характеристик пропускання, відбивання і випромінювання в ІЧ області.

Вищезазначене стимулює розробку ІЧ детекторів і випромінювачів. Традиційними підходами до генерації ІЧ випромінювання в MW і LW діапазонах є збудження крайової люмінесценції вузькозонних напівпровідників шляхом інжекції вільних носіїв через p-n-перехід (фотонні випромінювачі) і генерація ТВ напівпровідникових або металевих плівок шляхом розігріву їх електричним струмом (теплові випромінювачі).

Перевагами світлодіодів є висока швидкодія (наносекундний діапазон) і сконцентрованість енергії випромінювання в вузькому спектральному інтервалі (шириною порядку 0.1 мкм). Недоліками є низька потужність при Т300 К (в імпульсному режимі десятки міліват в MW діапазоні і менше 1 мВт в LW діапазоні, в неперервному режимі - на порядки менше), обумовлена високою ймовірністю Оже-рекомбінації і низькою ефективністю інжекції носіїв через p-n-перехід при високих температурах. При Т300 К внутрішній вихід люмінесценції напівпровідників з Eg<0.35 еВ (>3 мкм, Eg - ширина забороненої зони) звичайно не перевищує кількох процентів (див., наприклад, [1, 2]), при цьому він зменшується при зменшенні Eg, тобто при збільшенні , і при збільшенні Т [3] (температурне гасіння). Також в світлодіодах при великих прямих зміщеннях відбувається концентрація ліній струму в області найменшого опору (current crowdіng), що призводить до зменшення ефективної площі випромінювання і значних локальних перегрівів [4], які зменшують квантовий вихід і стимулюють деградацію світлодіода. Внаслідок явища сurrent crowdіng підвищення потужності випромінювання шляхом збільшення активної площі світлодіода є неефективним (в найпростішій конструкції з одним суцільним і протилежним точковим контактами площа звичайно не перевищує 0.1 мм2).

Перевагами теплових випромінювачів є висока потужність при високих температурах (десятки-сотні мВт), яка збільшується з підвищенням температури (температурна активація процесу випромінювання). Головним недоліком є інерційність (мілісекундний діапазон).

В останній час значна увага приділяється також створенню джерел ІЧ зображень, необхідних для тестування ІЧ камер і систем теплобачення [5]. Оскільки площа таких джерел може складати декілька квадратних сантиметрів, посилюються вимоги до однорідності параметрів уздовж неї. Джерела, основані на вищеназваних контактних підходах, є матричними, отже постає задача створення схеми адресного керування окремими елементами матриці. В теплових джерелах виникає проблема теплової розв'язки між цією схемою і випромінюючими елементами, а також між сусідніми випромінюючими елементами, температура яких може перевищувати 1000 К. Крім складної технології виготовлення, недоліком матричних підходів є те, що сусідні випромінюючі елементи матриці розділені проміжками, необхідними для електричної і теплової розв'язки, а також для розміщення елементів схеми адресного керування. Це зменшує світимість матриці, яка дорівнює добутку світимості випромінюючого елемента на фактор заповнення матриці (відношення активної площі елемента матриці до загальної площі елемента), який при малих розмірах елементів (порядку 50х50 мкм2) звичайно не перевищує 50%.

Таким чином, базуючись на традиційних підходах, не вдається поєднати в одному ІЧ випромінювачі високу швидкодію з високою ефективністю при високих температурах. Не подолані труднощі створення випромінювачів великої площі, зокрема джерел ІЧ зображень.

Одним із шляхів вирішення цих питань може стати використання нетрадиційного механізму прямого перетворення світла видимого або ближнього ІЧ діапазонів у випромінювання MW і LW діапазонів (lіght down conversіon - перетворення світла “вниз”) за допомогою широкозонних напівпровідників (з краєм власного поглинання при <3 мкм). Принцип перетворення полягає в тому, що світло з області власного поглинання генерує надлишкові вільні носії заряду, які після термалізації в зоні провідності й валентній зоні на протязі часу свого життя здійснюють внутризонні випромінювальні переходи. Таким чином, збуджений світлом напівпровідник стає джерелом надлишкового (над ТВ незбудженого напівпровідника) випромінювання в MW і LW діапазонах. Постійна часу перетворення дорівнює часу життя носіїв, проте його ефективність не залежить від квантового виходу міжзонної випромінювальної рекомбінації, що робить придатними не лише прямозонні, але й непрямозонні напівпровідники. Оскільки ІЧ випромінювання генерується при внутризонних переходах, придатними є широкозонні напівпровідники. Ефективність перетворення зростає з температурою (температурна активація процесу випромінювання). В попередніх роботах, присвячених вивченню цього явища, внаслідок малих діапазонів варіювання експериментальних факторів не були в достатній мірі визначені його закономірності та можливості, а серед конкретних шляхів застосування були запропоновані лише способи вимірювання часу життя носіїв. Таким чином, виникла необхідність в більш детальних дослідженнях як в науковому аспекті, так і в плані більш широкого практичного використання.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційні дослідження виконувались в рамках наступних бюджетних тем і партнерських проектів:

“Удосконалення технології напівпровідникових приладів ІЧ діапазону шляхом вивчення процесів струмо- та теплопереносу з високою розподільною здатністю у просторі та часі” № 04.07/00112, 2001-2004 рр. (проект Державного фонду фундаментальних досліджень від 30 серпня 2001 р., реєстраційний номер 0101006546).

"Перетворювач випромінювання з динамічним керуванням", 2000-2002 рр. (партнерський проект Р-044, УНТЦ).

"Багатоканальний точковий ІЧ випромінювач", 2003-2005 рр. (партнерський проект Р-080, УНТЦ).

Мета і задачі досліджень. Метою дослідження було з'ясування закономірностей процесу перетворення світла видимого і ближнього ІЧ діапазонів в ІЧ випромінювання діапазонів довжин хвиль 3-5 і 8-12 мкм в напівпровідниках, а також можливостей створення неохолоджуваних джерел ІЧ випромінювання і безконтактних джерел ІЧ зображень великої площі. Були поставлені задачі:

Дослідити залежність потужності теплового ІЧ випромінювання напівпровідника за краєм власного поглинання, збуджуваного світлом з області власного поглинання, від температури напівпровідника, інтенсивності і довжини хвилі збуджуючого світла, а також від параметрів напівпровідникового кристала: концентрації і типу домішок, товщини кристала, коефіцієнта відбивання поверхні кристала.

Запропонувати і обгрунтувати шляхи підвищення ефективності перетворення світла.

Обгрунтувати можливість модуляції світлом потужності теплового ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм в межах потужності випромінювання абсолютно чорного тіла в цих діапазонах (при стабільній температурі кристала).

Обгрунтувати можливість створення на основі дослідженого явища перетворення безконтактного швидкодіючого (f>1 кГц) високотемпературного (Т>300 К) напівпровідникового ІЧ випромінювача (спектральні діапазони 3-5 і 8-12 мкм) великої площі (більше 1 см2).

Дослідити можливість керування спектром збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала шляхом нанесення на його поверхню інтерференційного покриття з заданими параметрами.

Обгрунтувати і реалізувати на практиці новий спосіб перетворення зображень видимого і ближнього ІЧ діапазонів в зображення ІЧ діапазонів 3-5 і 8-12 мкм, захистити пріоритет шляхом патентування.

Об'єктом дослідження є процес перетворення випромінювання з області власного поглинання напівпровідника в теплове випромінювання напівпровідника за краєм власного поглинання.

Предметом дослідження є монокристали Ge з різною концентрацією донорних і акцепторних домішок.

Як метод дослідження в роботі використовується теплове випромінювання. Генерація надлишкових носіїв заряду проводиться світлом з області власного поглинання германію.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше встановлена залежність потужності збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала від параметрів кристала: рівня легування, товщини кристала, коефіцієнта відбивання поверхні кристала, а також від довжини хвилі збуджуючого світла. Проведена оптимізація потужності надлишкового ІЧ випромінювання по параметрам кристала.

Вперше показано, що потужність збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала немонотонно залежить від температури кристала: при підвищенні температури потужність ІЧ випромінювання досягає максимуму і далі зменшується; температура максимуму залежить від параметрів кристала: ширини забороненої зони, типу провідності, рівня легування, товщини кристала, а також від спектральної області, в якій реєструється ІЧ випромінювання. Немонотонність пояснюється зростанням коефіцієнта поглинання ІЧ випромінювання рівноважними носіями при збільшенні температури.

Вперше експериментально показано, що спектр збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала реструктурується при нанесенні на поверхню кристала тонкоплівкового покриття.

Вперше експериментально показано, що при збудженні напівпровідникового кристала світлом потужність теплового ІЧ випромінювання кристала в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм може зростати до потужності випромінювання абсолютно чорного тіла в цих діапазонах при незмінній температурі кристала.

Вперше експериментально показано, що просторова нерівномірність освітленості поверхні напівпровідникового кристала випромінюванням з області власного поглинання супроводжується такою ж просторовою нерівномірністю потужності теплового випромінювання кристала в спектральній області поглинання вільними носіями заряду навіть при рівномірній температурі кристалічної гратки і вільних носіїв.

Практичне значення одержаних результатів:

Досліджено спосіб збудження ІЧ випромінювання напівпровідників, ефективність якого не залежить від квантового виходу міжзонної випромінювальної рекомбінації.

Розроблено фотонний ІЧ випромінювач на основі непрямозонних напівпровідників.

Розроблено фотонний ІЧ випромінювач на область спектра >3 мкм на основі напівпровідників з краєм власного поглинання при <3 мкм (широкозонних).

Розроблено ІЧ випромінювач, в якому об'єднані переваги фотонних (швидкодія) і теплових (високі робочі температури, ефективна робота як в MW, так і в LW діапазоні) джерел.

Розроблено безконтактний ІЧ випромінювач великої площі (декілька квадратних сантиметрів і вище) з фактором заповнення 100%, позбавлений шкідливого ефекту current crowding.

Розроблено фотонний ІЧ випромінювач з температурною активацією процесу випромінювання.

Розроблено ІЧ випромінювач з керованим спектром.

Розроблено безконтактний спосіб генерації ІЧ зображень шляхом перетворення видимих зображень за допомогою однорідної монокристалічної напівпровідникової пластини.

На основі дослідженого принципу перетворення випромінювання створені імітатори ІЧ сцени, здатні імітувати як "гарячі", так і "холодні" сцени. Ці імітатори можуть застосовуватись для тестування ІЧ камер і систем теплобачення.

Особистий внесок автора в працях, опублікованих у співавторстві, включає в себе постановку конкретних задач [1-8], планування експериментів [1-8], виготовлення зразків германію [1-3,5-8], розробку та реалізацію експериментальних схем [1-8], теоретичні розрахунки [1,3,4], безпосереднє виконання експериментів [1-8], обробку та аналіз експериментальних результатів [1-8], підготовку ілюстративних матеріалів [1-9] (в [3,4] - частини матеріалів), участь в написанні праць [1-8], написання тез [9], літературний пошук [1-9]. Вимірювання за допомогою ІЧ камери виконувались разом з О.Ю. Малютенко під керівництвом автора. В праці [3], де представлені результати по германію та кремнію, розрахунки і вимірювання проводились автором на зразках германію. В праці [4] автором також виконані всі теоретичні розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на SPІE's 47th Annual Meetіng, July 7-11, 2002, Seattle, Washіngton, USA, на SPІE Defense & Securіty Symposіum, Aprіl 12-16, 2004, Orlando, Florіda, USA, на 5th Іnternatіonal Conference on Mіd-Іnfrared Optoelectronіc Materіals and Devіces, September 8-11, 2002, Annapolіs, Maryland, USA, на International Congres on Optics and Optoelectronics, 28 August - 2 September, 2005, Warshaw, Poland, на ІX международной конференции по физике и технологии тонких пленок, 19-24 мая 2003 г., Ивано-Франковск, Украина, на Третьей Российской конференции “Кремний-2003”, 26-30 мая 2003 г., Москва, Россия.

Тестові випробування джерел ІЧ зображень були проведені в Aіr Force Research Laboratory, м. Еглін, шт. Флорида, США.

Публікації. Основні результати дисертації відображені у 9 публікаціях: 4 статті у провідних фахових журналах, 2 патенти, 3 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів оригінальних досліджень, висновків і списку використаних джерел. Вона містить 117 сторінок, із них 102 сторінки основного тексту, 37 рисунків, із них 8 на окремих аркушах, 3 таблиці, список використаних джерел з 72 найменувань на 7 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі вказані актуальність теми дисертації, мета і задачі роботи, наукова новизна і апробація результатів дослідження, кількість публікацій за матеріалами дисертації, структура та обсяг роботи.

В першому розділі наведений літературний огляд. Розглянуті механізми й основні закономірності теплового випромінювання напівпровідників, особлива увага приділена внеску в нього вільних носіїв заряду. Описаний принцип його збудження в ізотермічних умовах, проведений огляд результатів його дослідження і використання.

Параметри ТВ напівпровідника можна знайти з закону Кірхгофа і формули Планка, що визначає спектральний розподіл потужності ТВ абсолютно чорного тіла (АЧТ). Потужність ТВ в заданій області спектра дорівнює добутку поглинальної (випромінювальної) здатності в цій області на потужність ТВ АЧТ. За краєм власного поглинання випромінювальна здатність напівпровідника залежить від концентрації вільних носіїв заряду. Таким чином, зміна концентрації носіїв приводить до зміни потужності ТВ навіть при сталій температурі напівпровідника. Зміна концентрації може здійснюватись контактними (наприклад, інжекція через p-n-перехід) і безконтактними (наприклад, оптична інжекція) методами; останні мають відомі переваги. Збудження ТВ напівпровідника світлом з області власного поглинання можна розглядати як перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове (light down conversion). Для широкозонних напівпровідників край власного поглинання знаходиться в ближній ІЧ або видимій області спектра, тоді як основна частина ТВ вільних носіїв припадає на область >3 мкм, що включає актуальні для теплобачення діапазони 3-5 і 8-12 мкм.

Наприкінці розділу зроблені висновки відносно повноти попередніх досліджень, перспективності використання нерівноважного теплового випромінювання, переваг і недоліків різних методів його збудження, окреслено коло невирішених питань по напрямку оптичного збудження (light down conversіon), сформульовані задачі роботи.

В другому розділі викладена методика дослідження. Обгрунтований вибір монокристалічного германію як матеріалу для досліджень. Описана технологію виготовлення зразків, наведені їх параметри. Наведені схеми експериментальних установок з описом ходу вимірювань.

В третьому розділі наведені результати дослідження основних закономірностей перетворення світла.

Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 1 представлений спектральний розподіл рівноважного і нерівноважного ТВ кристала Ge, збудженого світлом лампи розжарювання. Основний внесок в надлишкове ТВ дають вільні дірки, оскільки в даному спектральному діапазоні їх переріз поглинання обумовлений прямими переходами у валентній зоні, ймовірність яких на порядок вища за ймовірність непрямих переходів електронів в зоні провідності, а надлишкові концентрації електронів і дірок однакові. Отже, особливості спектра надлишкового ТВ германію обумовлені структурою валентної зони. Близька до власної провідність кристала при температурі вимірювань зумовлює помітний внесок прямих переходів вільних дірок і в спектр рівноважного ТВ. Особливості при >11.5 мкм обумовлені багатофононним ТВ кристалічної гратки [6]. Значна частка потужності збудженого світлом ТВ германію припадає на актуальні діапазони 3-5 і 8-12 мкм.

На рис. 2 представлена кінетика надлишкового ТВ кристала германію при збудженні лазерними імпульсами різної інтенсивності, і залежність потужності надлишкового ТВ від інтенсивності імпульсів. При значній інтенсивності світла, коли надлишкова оптична товщина значно перевищує одиницю (Kd>>1, де K - середній по товщині кристала коефіцієнт поглинання в спектральному діапазоні детектування ТВ, K - його зміна під дією світла, d - товщина кристала), амплітуда імпульсу надлишкового ТВ не зростає з підвищенням інтенсивності світла, а зростає лише ширина імпульсу. Шляхом порівняння сигналу ТВ кристала з сигналом ТВ чорного тіла встановлено, що на ділянці насичення потужність ТВ кристала дорівнює потужності ТВ АЧТ, помноженої на 1-R (R0.36 - коефіцієнт відбивання поверхні германію), тобто максимально можливому значенню (при заданому R). По закінченні збуджуючого імпульсу надлишкова оптична товщина зменшується до рівня Kd<<1, після чого подальший спад потужності надлишкового ТВ відбувається з постійною часу, що дорівнює часу життя вільних носіїв (350 мкс), оскільки в цьому випадку потужність надлишкового ТВ пропорційна концентрації надлишкових носіїв.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 3 представлена залежність потужності надлишкового ТВ і стаціонарної фотопровідності (ФП) кристала германію від довжини хвилі кванта збуджуючого світла. Ідентичність залежностей підтверджує те, що потужність збуджуваного світлом ІЧ випромінювання залежить тільки від числа надлишкових носіїв в пластині, а не від їх енергії відразу після генерації (до термалізації). Зменшення потужності правіше від максимуму обумовлене зменшенням кількості поглинутих в одиницю часу квантів при наближенні довжини хвилі до краю власного поглинання. Зменшення потужності лівіше від максимуму обумовлене збільшенням внеску поверхневої рекомбінації внаслідок зменшення глибини поглинання світла (за рахунок зростання коефіцієнта власного поглинання). Коли глибина поглинання світла стає набагато меншою за дифузійну довжину носіїв, кількість надлишкових носіїв стабілізується (повільний спад ФП і потужності надлишкового ТВ при зменшенні довжини хвилі обумовлений збільшенням коефіцієнта відбивання світла).

Результати, наведені на рис. 1-3, однозначно свідчать на користь описаного в розділі 1 механізму перетворення світла.

На рис. 4,а представлені експериментальні температурні залежності потужності надлишкового ТВ пластин германію різної товщини, виготовлених з однакового матеріалу з близької до власної провідністю. Зростання потужності з температурою обумовлене, згідно з законом Кірхгофа, зростанням потужності ТВ АЧТ. Максимуми залежностей знаходяться в температурній області переходу пластин від “оптично тонкого” (Kd<<1) до “оптично товстого” (Kd>>1) стану. Зменшення потужності надлишкового ТВ обумовлене зростанням поглинання надлишкового ТВ рівноважними носіями внаслідок збільшення власної концентрації носіїв, оскільки надлишкова випромінювальна здатність "оптично товстої" пластини в області власної провідності зменшується з температурою швидше, ніж зростає потужність ТВ АЧТ.

Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 4,б представлені експериментальні температурні залежності потужності надлишкового ТВ пластин германію однакової товщини і різної провідності. Температура максимуму залежності зростає зі збільшенням концентрації некомпенсованих домішок. Максимум залежності для сильніше легованої пластини знаходиться в температурній області переходу до власної провідності. Зростання перерізу поглинання вільних електронів з температурою в пластинах n-типу є незначним і для “оптично тонких” при Т300 К пластин не впливає на монотонність Р(Т), отже температурне гасіння надлишкового ТВ в легованих пластинах також обумовлене зростанням власної концентрації. Зміщення максимуму залежності в область більших температур при цьому обумовлене тим, що концентрація рівноважних носіїв в легованому кристалі починає швидко зростати лише тоді, коли власна концентрація стає порівняною з домішковою.

Використовуючи той факт, що переріз поглинання вільних електронів значно менший за переріз поглинання вільних дірок (в германію - більше ніж на порядок), можливо зменшити рівноважну оптичну товщину кристала шляхом його легування донорними домішками до певного рівня, зменшивши тим самим потужність рівноважного ТВ кристала. Це дає можливість збільшити потужність надлишкового ТВ, оскільки остання є різницею між потужністю ТВ збудженого кристала і потужністю рівноважного ТВ. Оптимальна концентрація некомпенсованих донорів тим більше, чим тонше кристал, і залежить від спектрального діапазону, в якому реєструється ІЧ випромінювання. Для кристалів германію товщиною порядку 1 мм вона складає порядку 1015 см-3 в LW діапазоні та порядку 1016 см-3 в МW діапазоні.

Розраховані на основі закону Кірхгофа і теорії поглинання вільними носіями температурні залежності потужності надлишкового ТВ кристалів германію різного рівня легування і товщини якісно і кількісно узгоджуються з експериментальними.



Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 5 представлений спектральний розподіл рівноважного ТВ трьох ділянок пластини Gе, на поверхню однієї з яких нанесене одношарове покриття ZnS для зменшення відбивання в LW діапазоні, на поверхню другої нанесене одношарове покриття ZnS для зменшення відбивання в МW діапазоні, а третя ділянка є вільною від покриттів. Температура і товщина пластини задовольняють умові Kd>>1, тобто випромінювальна здатність пластини близька до 1-R. Інтегральна потужність ТВ ділянок з плівками приблизно в півтора рази перевищує потужність ділянки без плівки у відповідних (МW і LW) діапазонах і майже досягає потужності ТВ АЧТ (крива 4) в цих діапазонах, яка складає десятки мВт/см2. На рис. 6 представлені зафіксовані за допомогою ІЧ камер, чутливих в МW і LW діапазонах, ІЧ зображення цієї пластини при збудженні протилежної (вільної від покриттів) поверхні пластини сфокусованим світлом навпроти кожної з трьох ділянок. Співвідношення амплітуд корелює з даними для рівноважного ТВ (див. рис. 5). Розміри плями нерівноважного ТВ визначаються дифузійною довжиною носіїв, яка складає порядку 1 мм.

В четвертому розділі розглянуті шляхи практичного застосування явища light down conversion.

Пропонується безконтактний ІЧ випромінювач. Площа джерела у формі пластини може складати десятки см2. Випромінювач ефективно працює при високих температурах в MW і LW діапазонах і при цьому має постійну часу, на порядки меншу за постійну часу теплових випромінювачів. Зокрема, постійна часу джерел на основі германію звичайно складає десятки-сотні мікросекунд, а принципово може бути менше 1 мкс. Зовнішній квантовий вихід випромінювача у вигляді пластини з германію з типовим часом життя носіїв порядку 102 мкс досягає одиниці-десятки процентів, що на порядки більше за ефективність фотонних джерел на основі вузькозонних напівпровідників. Для збільшення зовнішнього квантового виходу випромінювач може бути зроблений, наприклад, у вигляді півсфери. Потужність джерела складає принаймні десятки мВт/см2.

Размещено на http://www.allbest.ru

Далі пропонуються два типи джерел ІЧ зображень. На рис. 7 представлена схема перетворювача видимих зображень в ІЧ зображення і демонструється одержане за його допомогою ІЧ зображення тестового об'єкта у вигляді хрестика. Розмивання ІЧ зображення обумовлене дифузійним розтіканням носіїв (дифузійна довжина складає порядку 1 мм). Перевагами джерела над тепловими є значно вища швидкодія (див. вище), теплова розв'язка між джерелом інформації (проектор видимого зображення) та ІЧ джерелом, простота і надійність конструкції (монокристалічна пластина).

Якщо видиме зображення змінюватиметься у часі, відповідне ІЧ зображення також буде змінюватись з ефективним часом запізнення, рівним часу життя вільних носіїв. Таким чином, запропоноване вище джерело може застосовуватись для імітації динамічних ІЧ сценаріїв.

Якщо достатньо імітувати статичну ІЧ сцену, але з динамічно-змінним контрастом, можна запропонувати джерело, схематично показане на рис. 8. В даному випадку на одну поверхню напівпровідникової пластини нанесена непрозора в ІЧ області металева плівка з вікном заданої форми, а протилежна поверхня пластини рівномірно освітлюється. Тепловий контраст між вкритими і не вкритими плівкою ділянками пластини залежить від температури і освітленості пластини, а також від випромінювальної здатності плівки. На рис. 8 праворуч показані ІЧ зображення, одержані за допомогою джерела на основі пластини германію з плівкою вісмуту. При Т=90о С (праворуч зверху) пластина прозора в ІЧ діапазоні і її випромінювальна здатність EGe менша за випромінювальну здатність плівки вісмуту EBi, тому ІЧ зображення літака є негативним. При збудженні пластини світлом певної інтенсивності літак "зникає". При T=110о С випромінювальна здатність кристала зрівнюється з випромінювальною здатністю плівки вісмуту, тому при відсутності опромінення літак є невидимим - він з'являється лише при опроміненні.

Перевагою такого джерела над попереднім є незалежність просторової роздільної здатності від дифузійної довжини носіїв (пропорційної квадратному кореню з часу життя носіїв), що дозволяє одержувати якісні зображення за допомогою пластини з високим часом життя, а отже з високою ефективністю перетворення світла.

ВИСНОВКИ

Збуджений світлом з h>Eg напівпровідник при сталій температурі стає джерелом випромінювання з h<Eg, надлишкового над випромінюванням незбудженого напівпровідника, що є по суті тепловим випромінюванням надлишкових вільних носіїв заряду. Цей процес можна розглядати як перетворення світла з короткохвильового діапазону спектра до довгохвильового (light down conversіon).

Ефективність перетворення світла не залежить від квантового виходу міжзонної випромінювальної рекомбінації. Отже, для його реалізації є придатними непрямозонні напівпровідники.

При малому рівні збудження (Kd<<1) в умовах лінійної рекомбінації потужність надлишкового теплового випромінювання пропорційна потужності збуджуючого світла і часу життя вільних носіїв, при цьому постійна часу перетворення світла дорівнює часу життя носіїв.

Для ефективного перетворення видимого світла в ІЧ випромінювання напівпровідниковий кристал повинен бути прозорим в ІЧ області спектра в незбудженому стані і мати високий час життя вільних носіїв заряду. Монокристали германію задовольняють цим умовам.

Потужність збуджуваного світлом ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала залежать від температури, потужності і довжини хвилі збуджуючого світла, параметрів кристала: типу провідності, рівня легування, часу життя носіїв, товщини, коефіцієнта відбивання поверхні.

Ефективність перетворення світла в кристалі германію досягає максимуму при деякій температурі кристала, яка залежить від області спектра спостереження ІЧ випромінювання і параметрів кристала: ширини забороненої зони, типу провідності, рівня легування, товщини.

Зменшення прозорості кристала внаслідок міжзонної термічної генерації вільних носіїв спричиняє зменшення ефективності перетворення світла зі збільшенням температури кристала. Чим більше ширина забороненої зони напівпровідника, тим при більших температурах ефективність перетворення світла починає зменшуватись.

Збільшення концентрації донорних або акцепторних домішок приводить до зсуву максимуму температурної залежності ефективності перетворення світла в сторону більших температур.

Ефективність перетворення світла для кристалів n-типу, за інших рівних умов, більше, ніж для кристалів p-типу. Це обумовлено більшою вихідною прозорістю кристалів n-типу внаслідок співвідношення n<p. По цій же причині існує оптимальна концентрація некомпенсованих донорів, при якій досягається найвища потужність надлишкового ІЧ випромінювання для кристалів заданої форми і розмірів.

При наявності на поверхні напівпровідникового кристала навіть найпростішого одношарового просвітлюючого покриття потужність теплового випромінювання кристала в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм може зростати під дією світла майже до потужності випромінювання абсолютно чорного тіла в цих діапазонах при стабільній температурі кристала.

Нанесення на поверхню напівпровідникового кристала інтерференційного покриття заданої товщини з матеріалу з заданим показником заломлення дає можливість реструктурувати спектр збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання кристала.

Просторова нерівномірність освітленості напівпровідникового кристала випромінюванням з області власного поглинання супроводжується такою ж просторовою нерівномірністю потужності теплового випромінювання кристала в спектральній області поглинання вільними носіями заряду навіть при рівномірній температурі кристалічної гратки і вільних носіїв. Це дозволяє генерувати динамічні ІЧ зображення шляхом перетворення динамічних видимих зображень за допомогою однорідної монокристалічної напівпровідникової пластини.

На основі дослідженого явища light down conversіon створені експериментальні прототипи джерел ІЧ зображень, здатні відтворювати як "гарячі", так і "холодні" ІЧ сцени. Джерела можуть застосовуватись для тестування ІЧ камер.

На основі дослідженого явища light down conversіon реалізований ефект зникнення зображення в ІЧ діапазоні.

Джерела ІЧ випромінювання, основані на дослідженому явищі light down conversіon, суміщають переваги світлодіодів (швидкодія, можливість генерувати випромінювання позитивного і негативного контрастів) і теплових джерел (високі робочі температури, ефективна робота як в MW, так і в LW діапазоні).

Германієвий ІЧ випромінювач на основі дослідженого явища light down conversіon може ефективно працювати до температури принаймні 300о С, при цьому його потужність складає десятки мВт/см2, а постійна часу знаходиться в мікросекундному діапазоні.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. V.K. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, O.Yu. Malyutenko, D.R. Snyder, A.J. Huber, J.D. Norman. Semiconductor screen dynamic visible-to-infrared scene converter // Proc. SPIE.-2002.-Vol.4818.-P.147-156.

2. V.K. Malyutenko, K.V. Michailovskaya, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, D.R. Snyder. Infrared dynamic scene simulating device based on light down-conversion // IEE Proc. Optoelectronics.- 2003.-Vol.150, №4.-P.391-394.

3. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, S.V. Chyrchyk, J.R. Kircher, R.L. Murrer, D.R. Snyder. Synthetic IR signature control using emissivity enhancement techniques // Proc. SPIE.-2004.-Vol.5408.-P.118-126.

4. V.K. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, O.Yu. Malyutenko, S.V. Chyrchyk. Si infrared pixelless photonic emitter / Proc. SPIE.-2005.-Vol.5957.-P.75-81.

5. Пат. 68375 Україна, МКИ 7 Н01Д31/14, G01J1/00. Пристрій для формування динамічних двовимірних інфрачервоних зображень / В.К. Малютенко, Д.Р. Кірчер (США), Р.Л. Мурер (США), О.Ю. Малютенко, В.В. Богатиренко.-№ 2000095565; Заявл. 28.09.04; Опубл. 16.08.04, Бюл. № 8.-7с.

6. Пат. 72012 Україна, МКИ G01J1/00. Спосіб імітування інфрачервоних сцен з керованим тепловим контрастом / В.К. Малютенко, О.Ю. Малютенко, К.В. Михайловська, В.В. Богатиренко, Д.Р. Снайдер (США).-№ 2002064925; Заявл. 14.06.02; Опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1.-5с.

7. V.K. Malyutenko, K.V. Michailovskaya, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, D.R. Snyder. Pixelless IR Dynamic Scene Simulating Device // Abstract book of 5th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronic Materials and Devices, September 8-11, 2002, Annapolis, Maryland USA, P.58.

8. В.В. Богатыренко, Е.В. Михайловская. Использование тонкопленочных покрытий в проекторе динамической инфракрасной сцены (DISP) // Материалы IX международной конференции по физике и технологии тонких пленок, 19-24 мая 2003 г., Ивано-Франковск, Украина, С.209-210.

9. К.Д. Глинчук, В.К. Малютенко, О.Ю. Малютенко, С.В. Чирчик, В.В. Богатыренко. Влияние рекомбинационных свойств кремния (Т>300 K) на параметры имитаторов сцены инфракрасного диапазона // Тезисы докладов Третьей Российской конференции “Кремний-2003”, 26-30 мая 2003 г., Москва, Россия, С.415.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

10. Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Стусь Н.М. Температурная зависимость люминесценции арсенида индия и твердых растворов InAsSbP и InGaAs // ФТП.-1989.-Т.23, №4.-С.592.

11. В.К. Малютенко, С.С. Болгов, В.И. Пипа, Чайкин В.М. Квантовый выход рекомбинационного излучения в n-InSb // ФТП.-1989.-Т.14, №4.-С.781.

12. Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный Н.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н. Электролюминесценция светодиодов на основе твердых растворов InGaAs и InAsSbP (=3.34.3 мкм) в интервале температур 20-180о С // ФТП.-2001.-Т.35, №5.-С.619.

13. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, A. Dazzi, N. Gross, J.-M. Ortega. Heat transfer mapping in 3-5 m planar light emitting structures // Journal of Applied Physics.-2003.-Vol.93, №11.-P.9398.

14. O.M. Williams. Dynamic infrared scene projection: a review // Infrared Physics & Technology.-1998.-Vol.39.-P.473.

15. Ю.И. Уханов. Оптика полупроводников: Конспект лекций, ч.ІІІ, 1972.-152с.

Размещено на Allbest.ru

...