Полупроводниковые источники излучения для инфракрасной области спектра

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 Pb_1–xCd_xSe

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 Pb_1–xCd_xSe 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

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 Pb_1–xCd_xSe //
   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.