Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №11

Полупроводниковые источники излучения для инфракрасной области спектра

Тропин Алексей  
Тропина Наталья  

Приведено описание конструкции и технические характеристики серии полупроводниковых инфракрасных источников излучения на основе фрактально структурированных нанокомпозитных пленок селенида свинца и твердых растворов на его основе. Требуемые спектральные характеристики источников излучения могут быть сформированы за счет введения в конструкцию прибора оптических интерференционных фильтров.

Для решения широкого круга задач в оптике инфракрасного диапазона весьма востребованы быстродействующие малогабаритные источники излучения с низким энергопотреблением. Длинно волновая граница существующих в настоящее время и получивших промышленное распространение ИК-светодиодов обозначена длиной волны 1,5–1,6 мкм. Существующие на данный момент разработки светодиодов с активным слоем, излучающих в области 3–5 мкм, на основе материалов группы А3В5 обладают рядом недостатков. Основными причинами, ограничивающими широкое распространение подобных светодиодов, являются трудности, связанные с технологией их изготовления, недостаточная мощность излучения, высокая стоимость, необходимость, в ряде случаев, глубокого охлаждения, а также их временнáя нестабильность. По этим показателям источники излучения на основе фрактально структурированных нанокомпозитных пленок селенида свинца и твердых растворов на его основе могут составить достойную конкуренцию светодиодам на гетеропереходах.

На предприятии ОАО «НИИ “Гириконд”» (Санкт-Петербург) разработаны и производятся малогабаритные быстродействующие полупроводниковые источники излучения серии ИЛ 151А на основе фрактально структурированных нанокомпозитных пленок селенида свинца и твердых растворов на его основе.

Анализ рекомбинационных процессов в халькогенидах свинца показывает, что эффективность излучательной рекомбинации может достигать больших значений [1]. А использование в качестве источника оптической накачки GaAs светодиода позволяет получить значения оптической мощности до нескольких сотен микроватт в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Спектральная характеристика фотолюминесценции нанокомпозитных пленок PbSe, осажденных на стеклянные подложки и изготовленных по традиционной технологии, имеет вид колоколообразной кривой. Максимум ее приходится на 3,9–4,1 мкм (рис. 1), длинноволновый спад определяется спектральным распределением коэффициента поглощения, а коротковолновый — больцмановским распределением носителей по энергиям.



Рис. 1. Спектральное распределение интенсивности фотолюминесценции в зависимости от концентрации CdSe в твердом растворе Pb1–xCdxSe

Длина волны, соответствующая максимуму фотолюминесценции, а также длинноволновая составляющая характеристики находятся в непосредственной зависимости от полупроводникового материала и метода изготовления излучающей пленки. Спектральное распределение фотолюминесценции определяется спектральным распределением поглощения в образце, которое, прежде всего, зависит от особенностей зонной структуры материала.

В системе PbSe–CdSe образуется ряд твердых растворов замещения Pb1–xCdxSe с линейно изменяющейся шириной запрещенной зоны. В результате увеличения содержания кадмия ширина запрещенной зоны возрастает, что является причиной смещения спектральной характеристики в коротковолновую область (рис. 1).

Применяя те или иные технологические подходы в процессе изготовления, можно в небольших пределах варьировать спектральные характеристики ИК-излучателей, но эти изменения носят весьма ограниченный характер. Зачастую бывает необходимо получить излучение в определенной заданной спектральной области, существенно более узкой, чем рабочий спектральный диапазон прибора. Необходимость функционирования в узких спектральных интервалах, например, в задачах сорбционного газового анализа, требует введения в конструкцию полупроводникового источника дополнительного элемента, позволяющего проводить селекцию по длинам волн испускаемого излучения в пределах спектральной ширины рабочего диапазона. Поэтому почти всегда в конструкции излучателя целесообразно, а зачастую и необходимо, использование оптического интерференционного фильтра, позволяющего формировать его рабочий спектральный диапазон.

Интерференционные фильтры, по сравнению с другими типами оптических фильтров (поглощающими стеклами, жидкостными, желатиновыми, дисперсионными, кристаллическими и др.), имеют неоспоримое преимущество в силу возможной вариативности своих спектральных характеристик. А использование оптического фильтра в качестве входного окна излучателя позволяет существенно упростить конструкцию приемника. На рис. 2 представлена базовая конструкция полупроводникового излучателя производства ОАО «НИИ “Гириконд”».



Рис. 2. Конструкция полупроводникового источника излучения ИЛ 151А

На основании 1 (корпус КТ-2) смонтирован светодиод накачки 2, активным элементом является фотоизлучающая структура 3, в крышке 4 расположен оптический фильтр 5, одновременно выполняющий функцию входного окна. Интерференционный фильтр представляет собой кремниевую пластину толщиной 380 мкм с двусторонним многослойным оптическим покрытием. Структура многослойного покрытия, с учетом выбранных пленкообразующих материалов, оптимизируется в соответствии с требуемыми спектральными характеристиками. Полуширина — ширина на половине высоты — узкополосных фильтров в области 2,5–5 мкм может составлять от 40 до 200–300 нм, пропускание в максимуме—не менее 70%.

Спектральные характеристики излучения GaAs светодиода накачки и полупроводникового источника излучения при различных концентрациях CdSe в материале активного слоя — твердом растворе PbSe–CdSe—приведены на рис. 1. Основные технические характеристики излучателей представлены в таблице.

Таблица. Характеристики полупроводниковых источников излучения серии ИЛ 151А

Технические характеристики ИЛ151А-а ИЛ151А-б ИЛ151А-в ИЛ151А-г ИЛ151А-д
Длина волны максимума излучения, мкм 4,1 3,6 3,4 3,2 3
Ширина спектра излучения (на уровне 0,5), мкм 0,8 0,7 0,5 0,5 0,5
Мощность излучения (непрерывный режим), мВт 0,06 0,1 0,16 0,16 0,16
Мощность излучения (импульсный режим), мВт 0,6 1 1,2 1,2 1,2
Постоянное прямое напряжение, В 10 10 10 10 10
Постоянный прямой ток, А 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Импульсный прямой ток, А 2 2 2 2 2
Длительность импульса, мкс 100 100 100 100 100
Скважность 200 200 200 200 200
Время нарастания (спада) импульса излучения, мкс 10 10 10 10 10

Малогабаритные быстродействующие полупроводниковые источники инфракрасного излучения успешно используются для решения широкого круга задач. В частности, излучатели серии ИЛ 151А (ОАО «НИИ “Гириконд”») применяются для построения октронов [2] — оптопар с открытым оптическим каналом для создания абсорбционных ИК-газоанализаторов, работающих в диапазоне длин волн 2,5–5 мкм. Область спектра 2,5–5 мкм является наиболее информативной с точки зрения мониторинга таких опасных газообразных веществ, как NO, NO2, CO, CO2, метан, пропан, аммиак и другие.

Литература

  1. Дийков Л. К., Непомнящий С. В., Пашкевич А. В., Шелехин Ю. Л. Фотолюминесценция поликристаллических пленок Pb1–xCdxSe // Физика полупроводников. 1984. Т. 8, вып. 12.
  2. Горбунов Н., Варфоломеев С., Дийков Л., Медведев Ф. Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры // Компоненты и техологии. 2004. № 6.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке