Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

Автореферат

МЕХАНІЗМ ВПЛИВУ ВИПРОМІНЮВАННЯ З ОБЛАСТІ ВЛАСНОГО ПОГЛИНАННЯ МОНОКРИСТАЛІЧНОГО Si НА ЙОГО ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ В ІЗОТЕРМІЧНИХ УМОВАХ

01.04.07. - фізика твердого тіла

ЧИРЧИК СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Національної Академії наук України

Науковий керівник

доктор фізико-математичних наук, професор

Малютенко Володимир Костянтинович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділом № 24

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Сальков Євген Андрійович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, головний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук

Вайнберг Віктор Володимирович

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток напівпровідникової оптоелектроніки, що визначає прогрес в багатьох областях техніки, потребує подальшого розширення і удосконалення її елементної бази. Традиційними підходами до генерації в інфрачервоних (ІЧ) діапазонах спектру 3-5 мкм і 8-12 мкм (вікна прозорості атмосфери) є збудження люмінесценції вузькозонних напівпровідників (фотонні випромінювачі) чи генерація ТВ металевих або напівпровідникових плівок при пропусканні електричного струму (теплові випромінювачі). Світлодіодні випромінювачі характеризуються високою швидкодією і вузьким спектральним діапазоном. Квантовій вихід в таких структурах зменшується при зменшенні ширини забороненої зони напівпровідника та при зростанні температури і не перевищує кількох процентів. Збільшення площі активної області пов'язано з проблемою однорідності інжекції. Просторове протікання струму супроводжується його сильним концентруванням поблизу приконтактних ділянок (current crowding effect) і збільшення площі не призводить до значного збільшення інтегральної потужності випромінювання. На відміну від них, потужність теплових випромінювачів зростає з підвищенням температури. Такі джерела випромінювання працюють у широкому спектральному діапазоні й дозволяють одержувати високі значення вихідної потужності випромінювання. Однак, основним їх недоліком є висока інерційність, яка досягає декількох мілісекунд, що робить їх непридатними для тестування нових типів швидкісних тепловізійних приладів. Останнім часом велика увага приділяється створенню джерел для імітації об'єктів в ІЧ діапазоні спектру, які необхідні для тестування ІЧ систем теплобачення, що працюють у “вікнах” прозорості атмосфери 3-5 і 8-12 мкм. Актуальними стають питання швидкодії і спектральної залежності цих випромінювачів. Крім того, оскільки об'єкти, які досліджуються ІЧ системою, можуть мати різний тепловий контраст в різних діапазонах спектру (наприклад, об'єкт, який гарно розпізнається в одному діапазоні, може зливатися з фоном в іншому), виникає необхідність створення багатоспектральних ІЧ випромінювачів, здатних імітувати об'єкти в ІЧ діапазоні спектру з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в різних спектральних діапазонах. Проблемним залишається питання імітації об'єктів з низькими (Т<300 K) температурами.

Актуальність теми визначається необхідністю створення високоякісних дешевих випромінювачів на середній і дальній ІЧ діапазони спектру. Використанням традиційних підходів не вдається поєднати в одному ІЧ випромінювачі високу швидкодію з високою ефективністю при високих температурах, не вирішене питання створення випромінювачів великої площі, здатних вирішувати проблеми зазначені вище. Актуальним залишається також інтеграція оптики і мікроелектроніки. Одним з шляхів вирішення всіх цих питань може стати використання нетрадиційного підходу перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове за допомогою монокристалічного кремнію, механізм якого базується на тому, що світло з області фундаментального поглинання генерує нерівноважні вільні носії заряду, які після термалізації протягом всього часу життя здійснюють внутрішньозонні переходи, випромінюючи при цьому ІЧ кванти світла. Таким чином, при фотозбудженні Si стає джерелом нерівноважного (в порівнянні з тепловим випромінюванням (ТВ) незбудженого напівпровідника) випромінювання в ІЧ області спектру. Ефективність такого джерела зростає при підвищенні температури і не залежить від квантового виходу міжзонної рекомбінації, що робить придатним використання непрямозонного Si в якості випромінювача. Даний підхід дозволяє також розробити принципово нові методи дослідження рекомбінаційних параметрів носіїв заряду в напівпровідниках при високих температурах. Тому виникла необхідність більш детального вивчення цього явища як в науковому, так і практичному аспектах.

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

– "Багатоканальний точковий ІЧ випромінювач", 2003-2005 рр. (проект Українського науково-технологічного центру (УНТЦ) Р-080).

– "Локальна характеризація напівпровідникових матеріалів і приладів, зокрема, базованих на світловипромінюючих та світлочутливих мікроструктурах" № III-2-06, 2006 р. (відомча тематика ВФА НАНУ, постанова Бюро від 20.12.05 №10, номер держ. реєстрації 0106U000993).

– "Нові принципи, методи і засоби одержання, дослідження і характеризації напівпровідникових матеріалів і структур, створення елементної бази перспективної напівпровідникової електронної техніки, в т.ч. на основі нових фізичних явищ" № III-10-06, 2006 р. (прикладні дослідження відомчої тематики, номер держ. реєстрації 0106U000657).

Мета і завдання досліджень. Метою досліджень було визначення основних закономірностей механізму перетворення в монокремнії випромінювання видимого та ближнього ІЧ діапазонів у випромінювання середнього та далекого ІЧ діапазонів для підвищення ефективності та створення на цій основі нових типів фотонних випромінювачів з оптичним керуванням. Дослідити граничні робочі температури і потужності цих випромінювачів, що працюють при високих температурах. Розробити нові методи вимірювання рекомбінаційних параметрів (часу життя, швидкості поверхневої рекомбінації і дифузійної довжини носіїв заряду) в напівпровідниках (н/п) при високих температурах. Були поставлені наступні задачі:

Отримати залежності ефективності перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове від параметрів зовнішніх впливів (температури н/п, інтенсивності і довжини хвилі збуджуючого світла) і параметрів кристалів (матеріалу, концентрації і типу домішок, часу життя носіїв заряду, стану поверхні, товщини).

Визначити температурний діапазон, в межах якого досягаються найвищі значення ефективності перетворення в монокремнії.

Визначити параметри матеріалу та зразків, оптимальні для досягнення максимальної ефективності перетворення.

Створити новий тип фотонного багатоспектрального випромінювача з оптичним керуванням, здатного імітувати об'єкти в ІЧ діапазоні спектру з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в різних спектральних діапазонах.

Визначити граничні значення потужностей таких Si-випромінювачів в ізотермічних умовах.

Створити фотонний випромінювач з керованими параметрами, здатний імітувати як “гарячі” (Т>>0 ⁰C), так і “холодні” (Т<<0 ⁰C) об'єкти в ІЧ області спектру (3-12 мкм), що не потребує реального охолодження самого випромінювача, який працює при високих температурах.

Розробити фотонний ІЧ випромінювач великої площі (декілька см²), спектр випромінювання якого не прив'язаний до ширини забороненої зони н/п.

Розробити нові методи вимірювання рекомбінаційних параметрів (часу життя, швидкості поверхневої рекомбінації і дифузійної довжини носіїв заряду) в н/п.

9. Підвищити ефективність роботи фотонних Si-випромінювачів за рахунок зменшення швидкості поверхневої рекомбінації, підбору довжини хвилі збуджуючого світла, використання просвітлюючих покриттів і т.п.

Об'єктом дослідження є механізм впливу випромінювання з області власного поглинання напівпровідників на їх теплове випромінювання за краєм власного поглинання при високих температурах в ізотермічних умовах.

Предметом дослідження є монокристалічний Si різного рівня легування та товщини.

Як метод дослідження в роботі використовується теплове випромінювання. Вимірювання проводилися в діапазоні температур 300800 К.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Продемонстрований новий принцип використання Si в якості випромінювача в ІЧ діапазоні спектру, який базується на ефекті модуляції потужності теплового випромінювання напівпровідника у спектральному діапазоні внутрішньозонних електронних переходів при збудженні випромінюванням з енергією кванту, що перевищує ширину забороненої зони напівпровідника.

2. Вперше експериментально показано, що температурна залежність потужності збудженого світлом ІЧ випромінювання кристалів Si має вигляд кривої з максимумом. Положення максимуму залежить від концентрації і типу домішок, товщини зразків і довжини хвилі ІЧ випромінювання. Немонотонність пояснюється зростанням коефіцієнту поглинання ІЧ випромінювання рівноважними носіями при збільшенні температури.

3. Вперше експериментально показано, що при збудженні світлом з області фундаментального поглинання, потужність теплового ІЧ випромінювання кристала Si в спектральних інтервалах 3-5 та 8-12 мкм зростає майже до потужності абсолютно чорного тіла в цих інтервалах при наявності на поверхні Si одношарового просвітлюючого покриття при незмінній температурі кристала.

4. Вперше експериментально доведена можливість налаштування спектра збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання Si переважно на один з діапазонів - 3-5 або 8-12 мкм, за рахунок використання спектрально-селективних покриттів.

5. Вперше обґрунтована й експериментально доведена можливість генерації ІЧ випромінювання та ІЧ зображень як позитивного (Т>>0 ⁰С), так і негативного (Т<<0 ⁰С) контрасту, що ґрунтується на ефекті модуляції потужності ТВ напівпровідника і не потребує охолодження самого випромінювача.

6. Вперше експериментально підтверджена можливість зменшення поверхневої рекомбінації в монокристалічному кремнію шляхом пасивації його поверхні при імпульсному лазерному осадженні плівок з кремнієвими квантовими точками.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розширено температурний діапазон роботи кремнієвих приладів (300-800 К).

2. Підвищено інтегральну керовану потужність випромінювання інжекційних н/п джерел ІЧ випромінювання, що працюють в далекому ІЧ діапазоні спектру при високих температурах.

3. На основі отриманих результатів, розроблені безконтактні неруйнуючі оптичні методи вимірювання рекомбінаційних параметрів напівпровідників (дифузійної довжини, часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду).

4. Запропонований експрес-метод візуалізації двовимірного розподілу ефективного часу життя в н/п пластинах.

5. Запропонований новий метод зниження швидкості поверхневої рекомбінації c-Si, шляхом пасивації його поверхні кремнієвими наноструктурами, отриманим методом імпульсного лазерного осадження.

6. Розроблений кремнієвий фотонній ІЧ випромінювач, що суміщає переваги теплових джерел випромінювання (широкий спектр, високі робочі температури) та світлодіодних (здатність генерування випромінювання як позитивного, так і негативного контрастів, високу швидкодію), робота якого базується на ефекті модуляції потужності ТВ.

7. Створений кремнієвий безпіксельний перетворювач зображень видимого та ближнього ІЧ діапазонів у зображення середнього (3-5 мкм) та дальнього (8-12 мкм) ІЧ діапазонів як позитивного (Т>>0 ⁰С), так і негативного (Т<<0 ⁰С) контрастів, що не потребує реального охолодження самого перетворювача і який може застосовуватись для тестування ІЧ систем.

8. Створений новий тип фотонного багатоспектрального Si-випромінювача, здатного імітувати об'єкти в ІЧ діапазоні спектру з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм.

9. Розроблений кремнієвий ІЧ випромінювач великої площі (кілька квадратних сантиметрів), спектр випромінювання якого не прив'язаний до ширини забороненої зони н/п.

10. Розроблений подовжувач світлових імпульсів, робота якого базується на ефекті насичення випромінювальної здатності напівпровідника при високому рівні збудження.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автору належать: постановка мети і конкретних задач дослідження [1-10], планування експериментів [1-10], виготовлення та обробка зразків кремнію [1-10], розробка та реалізація експериментальних схем [1-10], теоретичні розрахунки [1-10], безпосереднє виконання експериментів [1-10], обробка [1-10] та аналіз [1-6,9,10] експериментальних результатів, підготовка ілюстративних матеріалів [1-10] (в [2,6] - частини матеріалів), участь в написанні праць [1-10], написання тез [9,10], літературний пошук [1-6,9,10]. Вимірювання за допомогою ІЧ камери виконувались разом з О.Ю. Малютенко під керівництвом автора.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на таких наукових семінарах і конференціях, як: SPІE Defense & Security Symposium, April 17-21, 2006, Orlando, Florida USA; The 2^nd International Conference on Physics of Laser Crystals, Big Yalta, September, 25-30, 2005; Шестой международный украинско-российский семинар “Нанофизика и наноэлектроника”, 26-28 сентября 2005 г., Киев, Украина; International Congress on Optics and Optoelectronics, 28 August - 2 September, 2005, Warshaw, Poland; SPІE Defense & Security Symposium, April 12-16, 2004, Orlando, Florida USA; І науково-технічна конференція з міжнародною участю “МЕТІТ-1”, 14-17 квітня 2004 р., м. Кременчук, Україна; Третья Российская конференция “Кремний-2003”, 26-30 мая 2003 г., Москва, Россия. випромінювач багатоспектральний потужність

Публікації. Основні результати дисертації відображено у 10 наукових публікаціях: 5 статей в наукових журналах, 4 публікації в тезах наукових конференцій, 1 патент України на корисну модель. Всі видання рекомендовані ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатку. В роботі 158 сторінок друкованого тексту, 58 рисунків та список використаних літературних джерел, що містить 141 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність і доцільність теми дисертації, сформульована мета і завдання роботи, наукова новизна і практична цінність результатів роботи, апробація результатів дослідження, кількість публікацій за матеріалами дисертації, структура та обсяг роботи.

В першому розділі наведений літературний огляд вітчизняної і зарубіжної літератури. Розглянуті види випромінювачів на ІЧ ділянку спектру, вказані проблеми створення таких ІЧ випромінювачів на середній і дальній ІЧ ділянки; розглянуті типи існуючих Si-випромінювачів; розкрито походження теплового випромінювання (ТВ) вільних носіїв заряду i метод розрахунку його параметрів; здійснено також огляд літератури, присвячений дослідженню теплового випромінювання напівпровідників. Розглянутий механізм перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове.

Розглянемо н/п пластину товщиною d з коефіцієнтом відбивання від поверхні R. Можна записати для випромінювальної (або поглинальної) здатності пластини з урахуванням багатократного відбивання [1]:

де x -- координата товщини; k(x) -- коефіцієнт поглинання, який за краєм власного поглинання можна записати як:

(2)

де n(x), p(x)-- концентрації вільних електронів i дірок відповідно, що в загальному дорівнюють сумі рівноважної i надлишкової концентрацій: n(x)=n₀+n(x), p(x)=p₀+p(x); _n, _p -- перетини поглинання електронів i дірок відповідно; k_г-- коефіцієнт поглинання кристалічної ґратки. Оптичні константи в (1) і (2) у загальному випадку є спектрально залежними, проте вдалині від смуги залишкових променів i при концентраціях носіїв менше ~10¹⁸ см^-3 (тобто при нехтуванні плазмовою дисперсією) коефіцієнт відбивання R може вважатися константою. З (1)-(2) видно, що випромінювальна здатність н/п пластини залежить від концентрації вільних носіїв заряду. У випадку слабкого поглинання (kd<<1, де під k розуміється середній по товщині коефіцієнт поглинання) з (1) отримуємо:

, (3)

тобто, випромінювальна здатність пропорційна концентрації вільних носіїв заряду i не залежить від коефіцієнту відбивання. У випадку сильного поглинання (kd>>1) отримаємо:

, (4)

Згідно з законом Кірхгофа, для потужності ТВ одиниці площі поверхні пластини з температурою Т можна записати:

, (5)

де P_b(T) -- спектральна густина потоку планківського випромінювання:

, (6)

Формула (5) описує власне ТВ пластини. Звичайно напівпровідник знаходиться в оточуючому середовищі з температурою T_ф, тому повний потік ТВ, що розповсюджується від пластини, складається з потоку власного ТВ пластини, а також потоків відбитого і пропущеного пластиною ТВ оточуючого середовища. Вважаючи ТВ оточуючого середовища планківським, запишемо повну потужність ТВ, що розповсюджується з одиниці площі поверхні пластини:

, (7)

Якщо випромінювальну здатність пластини змінити на величину E (наприклад шляхом фотозбудження нерівноважних носіїв), то потужність ТВ, що розповсюджується від пластини, зміниться на величину:

. (8)

Отже, умовою керування потужністю ТВ напівпровідників є відмінність температури напівпровідника від температури оточуючого середовища. При цьому, якщо T>T_g, то P>0, а якщо T<T_g, то P<0. Зауважимо, якщо температурне поле фону нерівномірне (напр. при реєстрації ТВ охолодженим приймачем [2]) компенсація потоків ТВ у всіх напрямках не відбувається і P0 при умові T=T_g. Таким чином, зміна концентрації носіїв приводить до зміни потужності ТВ навіть при сталій температурі напівпровідника. Зміну потужності ТВ напівпровідника під дією світла з області власного поглинання можна розглядати як процес перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове.

З огляду робіт були зроблені висновки відносно повноти попередніх досліджень, існуючих невирішених проблем, перспективності запропонованого способу перетворення в питаннях створення ІЧ випромінювачів з акцентом щодо використання монокристалічного кремнію. Наприкінці розділу окреслені задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ є методичним. В ньому обґрунтовано вибір напівпровідникового матеріалу для досліджень, описано методи виготовлення і обробки зразків, наведено схеми експериментальних установок з поясненням ходу вимірювань.

В третьому розділі наведені результати досліджень механізму перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове в монокристалах Si. Розглянуті температурні, спектральні і часові характеристики перетворення та їх залежність від параметрів збудження і параметрів кристалів, а також вплив фонового випромінювання. На основі ефекту модуляції випромінювальної здатності н/п при фотозбудженні запропонований новий тип Si-випромінювача і проведені дослідження ефективності його роботи.

представлені спектральні залежності потужності двох зразків виготовлених з p-Si (с = 1.1 кОмсм) різної товщини відносно випромінювання абсолютно чорного тіла при Т=325^о С. Особливості при >6.5 мкм обумовлені поглинанням граткою і домішками (напр. [3]). Як видно з рисунку при високому рівні освітленості (kd>>1) випромінювальна здатність насичується на рівні 1-R (див. формулу (4)), тому криві для товстого і тонкого зразків співпадають. В довгохвильовій області насичення відбувається при менших інтенсивностях, це видно з кінетики релаксації теплового випромінювання (ТВ) знятих на двох довжинах хвиль (див. вставку на рис. 1), оскільки перетини поглинання там вищі. Отже, для ефективної роботи запропонований випромінювач повинен бути прозорим за краєм власного поглинання при високих температурах.

приведені залежності інтегральної потужності нерівноважного ТВ (крива 2) і сигналу фотопровідності (ФП) (крива 1), нормовані на максимальну величину, від довжини хвилі збуджуючого світла (при невеликих інтенсивностях збуджуючого випромінювання, kd<<1). Як бачимо, форма кривих нерівноважного ТВ і ФП співпадає, що доводить ідентичність залежностей нерівноважного ТВ і ФП від довжини хвилі та від швидкості поверхневої рекомбінації. Тобто, підтверджує те, що потужність ІЧ випромінювання кристала є функцією числа нерівноважних носіїв у ньому (інтеграл від концентрації носіїв по товщині) і не залежить від початкової енергії носія (тобто до термалізації), що виключає трактування зафіксованого ІЧ випромінювання як внутришньозонної люмінесценції або як наслідку нагріву кристала світлом.

Як і очікувалось, обробка поверхні призводить до значних змін форми кривої залежності сигналу нерівноважного ТВ від довжини хвилі збуджуючого випромінювання. Спад потужності P в області сильного поглинання, а також обумовлене цим виникнення максимуму, пов'язані зі значною величиною швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду (s>0 см/с). При зменшенні довжини хвилі (збільшенні коефіцієнта поглинання), все більша частина збуджуючого випромінювання поглинається в приповерхневій ділянці зразка, яка характеризується більш високим темпом рекомбінації (при s0, що завжди спостерігається на практиці) в порівнянні з об'ємом напівпровідника. Це призводить до зменшення часу життя нерівноважних носіїв заряду та спаданню сигналу P при зменшенні довжини хвилі збуджуючого випромінювання. Причому величина спаду тим вища, чим вища швидкість поверхневої рекомбінації (див. рис. 3, криві 1, 2, 3). Далі, коли глибина поглинання світла стає набагато меншою за дифузійну довжину, кількість надлишкових носіїв перестає залежати від довжини хвилі збуджуючого випромінювання. Спад сигналу нерівноважного ТВ в області слабкого поглинання (див. рис. 3, правіше від максимуму) пов'язаний зі зменшенням числа фотогенерованих носіїв заряду, і, коли енергія кванту збуджуючого випромінювання стає меншою за ширину забороненої зони, фотогенерація припиняється.

Зрозуміло, що крива залежності сигналу нерівноважного ТВ від довжини хвилі збуджуючого випромінювання буде змінюватись зі зміною температури. Це пов'язано з температурною залежністю планківського множника, перетинів поглинання вільних носіїв заряду, рівноважної концентрації носіїв заряду, коефіцієнту поглинання кристалічної гратки, надлишкової концентрації носіїв заряду (див. вище). Для кожного зразка Si можна підібрати оптимальну довжину хвилі збуджуючого світла та температуру, і тим самим підвищити ефективність перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове.

На рис. 4 порівнюються потужності нерівноважного ТВ зразків однакової товщини з різним питомим опором, а на рис. 5 - різної товщини з одного матеріалу при низькому рівні освітлення. Зменшення товщини і збільшення концентрації некомпенсованих домішок дозволяє зміщувати максимум залежності (знаходиться в температурній області переходу до власної провідності) і розширити температурний діапазон роботи напівпровідникового ІЧ випромінювача (на жаль, при легуванні кристалів падає час життя носіїв заряду, що в свою чергу зменшує ефективність перетворення; при зменшенні товщини кристалу суттєву роль відіграє поверхнева рекомбінація, що також приводить до зменшення часу життя носіїв заряду, тому такі зразки потребують спеціальної обробки для її пригнічення).

На рис. 6 наведені виміряні спектри відбивання і рівноважного ТВ трьох ділянок зразка Si при температурі 500 ⁰С. На поверхню однієї з яких нанесене покриття ZnS для зменшення відбивання в діапазоні 3-5 мкм (товщина 0,45 мкм), на поверхню другої нанесене покриття ZnS для зменшення відбивання в діапазоні 8-12 мкм (товщина 1 мкм), а третя є вільною від покриттів. Збільшення інтегральної потужності в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм в порівнянні з непросвітленими ділянками зразка складає відповідно 26 і 33% при 500 ⁰С.

Щоб ефективно керувати потужністю ТВ н/п пластини, тобто, забезпечити максимальну величину P_max/P_mіn (див. формули (3) - (5)), вона повинна бути якомога прозоріша у вихідному (не збудженому) стані, а коефіцієнт відбивання R повинен бути мінімізований. Пригнічення відбивання робить величину P_max порівняну з потужністю ТВ чорного тіла P_b, тоді як P_mіn залишається низкою. Тут необхідно відмітити, що тоді, як для збільшення виходу з пластини її власного ТВ достатньо просвітлити тільки одну, звернену до приладу, що тестується, поверхню пластини, для максимального пригнічення відбитого потоку ТВ оточуючого середовища необхідно просвітлити обидві її поверхні. Зменшити ефективну температуру зразка (це температура, при якій потужність ТВ абсолютно чорного тіла в заданій області спектру рівна потужності зразка в цьому ж діапазоні) нижче температури оточуючого середовища без реального охолодження самого випромінювача можна шляхом його екранування від ТВ оточуючого середовища (наприклад, за випромінювачем, розміщується охолоджений екран з великою поглинальною здатністю в ІЧ області спектру; в нашому випадку використовувався холодний екран у вигляді термосу з рідким азотом (77 К)). З ростом Т ефективна температура збільшується головним чином завдяки росту потужності ТВ вільних носіїв, який в свою чергу обумовлений ростом як середньої теплової енергії носіїв, так і їх концентрацією. Не дивлячись на це, в широкому діапазоні реальних температур зразка вихідна ефективна температура залишається суттєво низькою (сягає < -20 ⁰C в діапазоні 3-5 мкм).

В роботі також запропонований метод обробки поверхні Si для зниження поверхневої рекомбінації шляхом пасивації його поверхні осадженням плівок з кремнієвими квантовими точками, завдяки чому підвищується ефективність перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове.

В четвертому розділі розглянуто практичне застосування результатів роботи. Запропоновано швидкодіючий фотонний ІЧ випромінювач з оптичним керуванням, безпіксельні генератори ІЧ зображень, безконтактні способи вимірювання рекомбінаційних параметрів напівпровідників при високих температурах.

На рис.7 наведені розрахункові (криві) і експериментальні (точки) залежності потужності кремнієвого випромінювача (товщиною 0.1 мм) в діапазоні 3-5 мкм від рівня збудження (1 - без просвітлюючого покриття, 2 - з просвітлюючим покриттям ZnS товщиною 0.5 мкм). При низьких рівнях збудження залежність лінійна, а при високих потужність випромінювача виходить на насичення на рівні 1-R від потужності АЧТ (див. формули 1-8), використання просвітлюючого покриття дає змогу досягати потужності близької до потужності випромінювання АЧТ в даному спектральному діапазоні. При температурі вимірювань товщина плівки ZnS близька до оптимальної.

Імітатори ІЧ сцени призначені для створення в заданій площині заданого розподілу ІЧ випромінювання - ІЧ сцени. Остання може служити тестовим об'єктом в ІЧ області спектру. На основі досліджуваного ефекту “light down conversion” запропоновані кремнієві імітатори як динамічних, так і статичних сцен. Принцип їх дії аналогічний описаним в [5,6]. Динамічні сцени створюються шляхом нерівномірного освітлення поверхні Si пластини, що приводить до відповідного нерівномірного розподілу концентрації вільних носіїв по площині пластини і відповідного розподілу потужності ТВ пластини. Зміна в часі розподілу освітлення по поверхні пластини приводить до відповідної зміни ІЧ зображення з ефективним часом запізнення порядку часу життя надлишкових носіїв в пластині. Статичну сцену з керованою ІЧ яскравістю відтворюють шляхом нанесення на окремі її ділянки непрозорої плівки (наприклад, металевої) і рівномірного освітлення протилежної поверхні світлом з області фундаментального поглинання. Такий варіант дозволяє уникнути дифузійного розмивання сцени, яке збільшується з ростом часу життя носіїв заряду, і отже сумістити високу роздільну здатність з високою ефективністю. ІЧ контраст між вкритими та не вкритими непрозорою плівкою ділянками пластини змінюється шляхом зміни освітленості.

Наведемо фрагменти опису, запропонованого способу вимірювання рекомбінаційних параметрів в напівпровідниках, запатентованого нами в Україні. Вимірювання проводяться таким чином. Випромінювання джерела світла спрямовують на поверхню напівпровідникового зразка, температура якого підтримується вищою за температуру оточуючого середовища за допомогою нагрівача. Опромінювання зразка світлом з області фундаментального поглинання напівпровідника забезпечує фотогенерацію вільних носіїв заряду в напівпровіднику, за рахунок чого відбувається зміна потужності теплового випромінювання напівпровідникового зразка в області спектру поглинання вільними носіями заряду. При невисоких рівнях збудження потужність нерівноважного теплового випромінювання P зразка пропорційна числу фотогенерованих носіїв заряду N (PN). Це дає можливість визначати швидкість поверхневої рекомбінації і дифузійну довжину носіїв заряду за спектральною залежністю потужності нерівноважного теплового випромінювання від довжини хвилі світла, що поглинається.

В п'ятому розділі описано розроблений експрес-метод контролю якості сонячних елементів при серійному виробництві в Україні, який успішно був застосований у відкритому акціонерному товаристві “Квазар” (м. Київ-136, Північно-Сирецька 3). Відповідний акт про використання міститься в додатку.

ВИСНОВКИ

1. При опроміненні Si зразка при сталій температурі світлом з області фундаментального поглинання, він стає джерелом некогерентного нерівноважного теплового випромінювання (теплове випромінювання фотогенерованих вільних носіїв заряду). На основі цього процесу можуть бути створені фотонні випромінювачі з керованими параметрами.

2. Ефективність роботи таких випромінювачів зростає при підвищенні температури і не залежить від квантового виходу міжзонної рекомбінації.

3. Для ефективної роботи таких приладів Si кристал повинен бути прозорим в ІЧ області спектру (при відсутності фотозбудження), мати великий час життя вільних носіїв заряду, швидкодія приладу визначається часом життя носіїв заряду.

4. Потужність нерівноважного ТВ Si залежить від температури, потужності і довжини хвилі збуджуючого світла, параметрів Si (часу життя носіїв заряду, товщини, типу провідності, рівня легування, коефіцієнту відбивання).

5. Запропонований фотонний Si-випромінювач дозволяє перетворювати зображення видимого та ближнього ІЧ діапазонів у зображення середнього та далекого ІЧ діапазонів як позитивного (Т>>0 ⁰С), так і негативного (Т<<0 ⁰С) контрастів, що не потребує реального охолодження самого перетворювача завдяки використанню “холодного” фонового екрану.

6. Розроблений кремнієвий ІЧ випромінювач великої площі (кілька квадратних сантиметрів) має спектр випромінювання, який не прив'язаний до ширини забороненої зони н/п.

7. При нанесенні на поверхню Si просвітлюючого покриття, потужність випромінювача в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм може зростати під дією світла майже до потужності випромінювання АЧТ в цих діапазонах при постійній температурі кристалу.

8. Новий тип фотонного Si-випромінювача здатний імітувати об'єкти в ІЧ діапазоні спектру з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в різних спектральних діапазонах, за рахунок використання спектрально-селективних покриттів.

9. Розроблений випромінювач суміщає переваги як світлодіодних (можливість генерувати випромінювання як позитивного, так і негативного контрастів, висока швидкодія), так і теплових джерел (широкий спектральний діапазон, високі робочі температури).

10. На основі досліджуваного явища перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове, може бути реалізований ефект подовжувача імпульсу сталої амплітуди (тобто, коли довжина збуджуючого імпульсу в десятки разів менша за тепловий). Це відбувається завдяки насиченню випромінювальної здатності випромінювача на рівні (1-R) при високому рівні фотозбудження.

11. На основі досліджуваного явища перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове, розроблені безконтактні, високотемпературні неруйнуючі оптичні методи вимірювання рекомбінаційних параметрів напівпровідників (дифузійної довжини, часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду).

12. Обробка монокристалічного кремнію методом імпульсного лазерного осадженням плівок з кремнієвими квантовими точками дозволяє зменшити швидкість поверхневої рекомбінації шляхом пасивації поверхні монокремнію. Така обробка дозволяє варіювати величиною поверхневої рекомбінації завдяки різним механізмам впливу різних домішок на пасивацію поверхні Si.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. V. Malyutenko, S. Chyrchyk. Surface recombination velocity in Si wafers by photoinduced thermal emission. Appl. Phys. Lett. 89, 051909, 2006.

2. V.K. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, O.Yu. Malyutenko, S.V. Chyrchyk. Cold Background Infrared Scene Simulation Device. // Proc. SPIE.-2006.-Vol.6208.-P. 240-248.

3. Е.Б. Каганович, Е.Г. Манойлов, Є.В. Бєгун, С.В. Чирчик. Поверхнева рекомбінація носіїв заряду в структурах “нанокристали кремнію на кремнії” // УФЖ, №7, т.51, c. 715-717, 2006.

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. Деклараційний патент на корисну модель 15589 Україна, МПК G01N 27/00. Безконтактний спосіб визначення рекомбінаційних параметрів в напівпровідниках при підвищених температурах / В.К. Малютенко, С.В. Чирчик.-№ 200512129; Заявл.16.12.2005; Опубл.17.07.2006, Бюл. № 7.-4с.

6. 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.

7. Э.Б. Каганович, В.К. Малютенко, Е.Г. Гуле, С.В. Чирчик, Э.Г. Манойлов. Модификация поверхности кремния наночастицами: скорость поверхностной рекомбинации и краевая фотолюминесценция кремния. // Тезисы VI Международного украинско-российского семинара “Нанофизика и наноэлектроника”, 26-28 сентября 2005 г., Киев, Украина, с.101-102.

8. S.V. Chyrchyk, V.K. Malyutenko, E. G. Gule, E. B. Kaganovich. Improvement of monocrystalline silicon surface passivation by silicon nanostructure deposition // Тези доповідей. The 2^nd International Conference on Physics of Laser Crystals, Big Yalta, Ukraine, September, 25-30, 2005.

9. С.В. Чирчик, О.Ю.Малютенко. Двовимірний розподіл ефективного часу життя носіїв струму в пластинах кремнію. // Тези доповідей І науково-технічної конференції з міжнародною участю “МЕТІТ-1”, 14-17 квітня 2004 р., м. Кременчук, Україна, с. 22-24.

10. 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, c. 415.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Мосс Т. Полупроводниковая оптоэлектроника.-М., 1976.

2. С.С.Болгов, В.И.Пипа, О.Ю.Салюк, А.С.Арутюнов. К вопросу о модуляции теплового излучения полупроводников // УФЖ.-Т.38.- №1.- 1993.- С.19.

3. Johnson F.A. Lattice absorption bands in silicon. Proc. Phys. Soc. (London), v.73, 1959, pp.265-272.

4. Файнштейн С.М. Обработка поверхности полупроводниковых приборов. М.1966.

5. В.К.Малютенко, Д.Р.Кірчер, Р.Л.Мурер, О.Ю.Малютенко, В.В.Богатиренко. Пристрій для формування динамічних двовимірних інфрачервоних зображень // Патент на винахід № 68375. - Бюл. № 8. - 16.08.2004.

6. В.К.Малютенко, О.Ю.Малютенко, К.В.Михайловська, В.В.Богатиренко, Д.Р.Снайдер. Спосіб імітування інфрачервоних сцен з керованим тепловим контрастом // Патент на винахід № 72012.-Бюл. № 1.-17.01.2005.

АНОТАЦІЯ

Чирчик Сергій Васильович. Механізм впливу випромінювання з області власного поглинання монокристалічного Si на його теплове випромінювання в ізотермічних умовах. - 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, 2006.

В дисертаційній роботі запропонований новий принцип застосування Si в якості випромінювача на середній і дальній ділянки інфрачервоного (ІЧ) спектру, що базується на ефекті модуляції потужності теплового випромінювання (ТВ) напівпровідника у спектральному діапазоні внутрішньозонних електронних переходів при збудженні випромінюванням з енергією кванту, що перевищує ширину забороненої зони напівпровідника. Проведене дослідження механізму впливу випромінювання з області фундаментального поглинання Si на його теплове випромінювання за краєм фундаментального поглинання в широкому діапазоні температур (300 - 800 К). Показано, що його потужність залежить від концентрації вільних носіїв заряду. Зміна концентрації здійснювалась шляхом оптичної інжекції світлом з області власного поглинання, цей процес розглядався як перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове (light down conversion). Отримані залежності ефективності такого перетворення від параметрів зовнішніх впливів (температури н/п, інтенсивності та довжини хвилі збуджуючого світла) і параметрів кристалів Si (матеріалу, концентрації та типу домішок, часу життя носіїв заряду, стану поверхні, товщини). Визначені параметри матеріалу та зразків, оптимальні для досягнення максимальної ефективності перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове. Досліджений температурний діапазон, в межах якого досягаються найвищі значення потужностей Si-випромінювачів, встановлені їх граничні значення в ізотермічних умовах. Досліджено вплив одношарових просвітлюючих покриттів на потужність і спектральний розподіл таких випромінювачів. Показано, що в результаті застосування таких покриттів максимальна потужність нерівноважного ТВ в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм зростає майже до потужності ТВ абсолютно чорного тіла і відбувається реструктуризація спектру.

Запропоновані методи підвищення ефективності роботи Si-випромінювачів за рахунок зменшення швидкості поверхневої рекомбінації (методом імпульсного лазерного осадженням плівок з кремнієвими квантовими точками), підбору довжини хвилі збуджуючого світла і температури, використання просвітлюючих покриттів.

За результатами проведених досліджень були запропоновані: фотонний Si-випромінювач з оптичним керуванням, здатний імітувати як “гарячі” (Т>>0 ⁰C), так і “холодні” (Т<<0 ⁰C) об'єкти в ІЧ області спектру (3-12 мкм), що не потребує реального охолодження самого випромінювача і працює при високих температурах; новий тип фотонного багатоспектрального випромінювача з керованими параметрами, здатного імітувати об'єкти в ІЧ діапазоні з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм; фотонний ІЧ випромінювач великої площі (кілька квадратних сантиметрів), спектр випромінювання якого не прив'язаний до ширини забороненої зони н/п, що суміщає переваги як світлодіодних (можливість генерувати випромінювання як позитивного, так і негативного контрастів, висока швидкодія), так і теплових джерел (широкий спектральний діапазон, високі робочі температури); подовжувач імпульсу (робота якого ґрунтується на ефекті насичення випромінювальної здатності н/п при високому рівні фотозбудження); безконтактні високотемпературні неруйнуючі оптичні методи вимірювання рекомбінаційних параметрів напівпровідників (дифузійної довжини, часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду). Обґрунтовані їх переваги над існуючими аналогами.

Ключові слова: кремній, теплове випромінювання, край фундаментального поглинання, поглинання вільними носіями, інфрачервоні діапазони 3-5 і 8-12 мкм, швидкість поверхневої рекомбінації, дифузійна довжина, час життя носіїв заряду.

Чирчик Сергей Васильевич. Механизм влияния излучения из области собственного поглощения монокристаллического Si на его тепловое излучение в изотермических условиях. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2006.

В диссертационной работе предложен новый принцип применения Si в качестве излучателя на средний и дальний участки инфракрасного (ИК) спектра, который базируется на эффекте модуляции мощности теплового излучения (ТИ) полупроводника в спектральном диапазоне внутризонных электронных переходов при возбуждении излучением с энергией кванта, что превышает ширину запрещенной зоны полупроводника. Проведено исследование механизма влияния излучения из области фундаментального поглощения Si на его тепловое излучение за краем фундаментального поглощения в широком диапазоне температур (300 - 800 К). Показано, что его мощность зависит от концентрации свободных носителей заряда. Изменение концентрации осуществлялось путем оптической инжекции светом из области собственного поглощения, этот процесс рассматривался как преобразование коротковолнового излучения в длинноволновое (light down conversion). Получены зависимости эффективности такого преобразования от параметров внешних воздействий (температуры п/п, интенсивности и длины волны возбуждающего света) и параметров кристаллов Si (материала, концентрации и типа примесей, времени жизни носителей заряда, состояния поверхности, толщины). Определены параметры материала и образцов, оптимальные для достижения максимальной эффективности преобразования коротковолнового света в длинноволновое. Исследован температурный диапазон, в пределах которого достигаются максимальные значения мощностей Si-излучателей, установлены их предельные значения в изотермических условиях. Исследовано влияние однослойных просветляющих покрытий на мощность и спектральное распределение таких излучателей. Показано, что в результате применения таких покрытий максимальная мощность неравновесного ТИ в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм возрастает почти до мощности ТИ абсолютно черного тела и происходит реструктуризация спектра.

Предложены методы повышения эффективности работы Si-излучателей за счет уменьшения скорости поверхностной рекомбинации (методом импульсного лазерного осаждением пленок с кремниевыми квантовыми точками), подбора длины волны возбуждающего света и температуры, использование просветляющих покрытий.

По результатам проведенных исследований были предложены: фотонный Si-излучатель с оптическим управлением, способный имитировать как “горячие” (Т>>0 ⁰C), так и “холодные” (Т<<0 ⁰C) объекты в ИК области спектра (3-12 мкм), что не нуждается в реальном охлаждении самого излучателя и работает при высоких температурах; новый тип фотонного многоспектрального излучателя с управляемыми параметрами, способного имитировать объекты в ИК диапазоне с тепловым контрастом, который различается при наблюдении в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм; фотонный ИК излучатель большой площади (несколько квадратных сантиметров), спектр излучения которого не привязан к ширине запрещенной зоны п/п, что совмещает преимущества как светодиодных (возможность генерировать излучение как положительного, так и отрицательного контрастов, высокое быстродействие), так и тепловых источников (широкий спектральный диапазон, высокие рабочие температуры); удлинитель импульса (работа которого базируется на эффекте насыщения излучательной способности п/п при высоком уровне фотовозбуждения); бесконтактные, высокотемпературные, неразрушающие, оптические методы измерения рекомбинационных параметров полупроводников (диффузной длины, времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда). Обоснованы их преимущества над существующими аналогами.

Ключевые слова: кремний, тепловое излучение, край фундаментального поглощения, поглощение свободными носителями, инфракрасные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм, скорость поверхностной рекомбинации, диффузионная длина, время жизни носителей заряда.

Chyrchyk Sergiy Vasilovich. The mechanism of radiation influence from the range of fundamental absorption of monocrystal Si on its thermal emission in isothermal conditions. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Phys.-Math. Sci. Degree in speciality 01.04.07. - solid state physics. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

In the following thesis to operation a new principle of Si application is offered as a emitter on mid and long infrared (IR) spectral range, which is based on the modulation of a thermal emission (TE) power of the semiconductor in a spectral range of intraband electronic transitions at excitation by emission with quantum energy, that exceeds energy band-gap of the semiconductor. The investigation of radiation influence mechanism from the field of Si fundamental absorption on its below band-gap thermal emission in a wide temperature range (300 - 800 К) is carried out. It is shown, that its power depends on free charge carriers concentration. The concentration change was carried out by optical light injection from the fundamental absorption range; this process was regarded as transformation of short-wave radiation into long-wave (light down conversion). The efficiency dependences of such transformation on parameters of exterior actions (temperature semiconductor, intensity and wavelength of stimulating light) and parameters of Si crystals (material, concentration and type of impurities, lifetime of charge carriers, a surface conditions, thickness) are obtained. The parameters of the material and samples, optimal for reaching maximal efficiency of a short-wave light transformation into a long-wave one, are determined. The temperature range, in which maximum values of Si-emitters power are achieved, is explored; their limiting values in isothermal condition are set. The influence of single-layer antireflection coating on integral and spectral distribution of power of such emitters is explored. It is shown, that as a result of such coating, the maximum power of non-equilibrium ТE in spectral ranges 3-5 and 8-12 microns will increase almost up to ТE power of black body and a re-structuring of a spectrum takes place.

The methods of Si-emitters performance increase by the diminution of a surface recombination velocity (by a pulsing laser deposition of films with silicon quantum dots), selection of a wave length of pumping light and temperature, use of antireflection coating are offered. By the results of the investigation the following issues were offered: a photonic Si-emitter with optical control, capable to simulate as “hot” (Т> > 0 ⁰C), and “cold” (Т << 0 ⁰C) objects in IR spectral range (3-12 microns), that does not require actual cooling of the emitter itself and works at high temperatures; a new type of a photon multispectral emitter with controllable parameters, capable to simulate objects with different thermal contrast in spectral ranges 3-5 and 8-12 m; photonic IR emitter of the large area (some square centimeters), the emission spectrum of which is not affected the semiconductor energy band-gap, that combines advantages of both light-emitting diode (the opportunity to generate emission both positive, and negative contrasts, high speed action), and thermal emitter (wide spectral range, high operating temperatures); The impulse extender (which operation bases on the saturation effect of the semiconductor emissivity at a high level of photo-excitation); non-contact, high-temperature, non-destructive, all-optical methods of measuring of semiconductors recombination parameters (diffusion length, lifetime and surface recombination velocity). Their advantages over existing analogs are proved.

Key words: silicon, thermal emission, edge of fundamental absorption, absorption by free carriers, 3-5 and 8-12 m infrared ranges

Размещено на Allbest.ru

...