Способ управления параметрами излучения проводниковых материалов

 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике. Оно решает задачу улучшения параметров источников ИК-излучения с перестраиваемой рабочей длиной волны. Целью изобретения является расширение спектрального диапазона плавного управления параметрами излучения положительного и отрицательного контраста при обеспечении максимальной эффективности выхода излучения положительного контраста. Для достижения поставленной цели используют полупроводниковый материал с собственной проводимостью и положительным или отрицательным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны и проводят его всестороннее сжатие в диапазоне давлений Р от атмосферного, до давления, равного 2 kT/qln , где λ_o длина волны излучения несжатого полупроводника, N_c N_v плотность состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно, q барический коэффициент ширины запрещенной зоны, N_пр концентрация примеси, К постоянная Больцмана, Т температура, h - постоянная Планка, с скорость света. При использовании узкозонного полупроводника inSb диапазон плавного управления спектром излучения составляет 6,9 3,5 мкм. 4 ил.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике. Целью изобретения является расширение спектрального диапазона плавного управления параметрами излучения положительного и отрицательного контраста путем всестороннего сжатия полупроводникового материала с собственной проводимостью и положительным или отрицательным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны согласно условию: ln >P>P_a, (1) где Р давление сжатия; Р_а атмосферное давление; λ_o длина волны излучения несжатого полупроводника; N_c, N_v плотность состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно; q барический коэффициент ширины запрещенной зоны; N_пр концентрация примеси; k постоянная Больцмана; Т температура; h постоянная Планка; с скорость света. Дополнительной целью изобретения является обеспечение максимальной эффективности квантового выхода излучения положительного контраста. Поставленная цель достигается тем, что в способе управления параметрами излучения полупроводниковых материалов, включающем всестороннее сжатие полупроводниковых материалов с собственной проводимостью и положительным или отрицательным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны, всестороннее сжатие приводит к изменению ширины запрещенной зоны Е_g и концентрации свободных носителей тока n_i, что обеспечивает плавное изменение длины волны излучения и повышает квантовую эффективность излучения положительного контраста. На фиг. 1 представлена расчетная от величины всестороннего сжатия (барическая) зависимость времени жизни носителей заряда для Оже- τ_A(кривая 1) излучательной τ_R (кривая 2) рекомбинации, а также для рекомбинации через уровни в запрещенной зоне τ_M (кривая 3) в материале InSb c N_пр N_A N_D 2^.10¹⁴ см^-3, n_i 2^.10¹⁶ см^-3. Там же приведено расчетное эффективное время жизни τ_эф (кривая 4) с учетом τ_A и τ_R, а также τ_эф^' (кривая 5) с учетом τ_A τ_R и τ_M. Кривая 6 экспериментально измеренное время жизни. На фиг. 2 в относительных единицах представлены спектры излучения InSb (N_A N_D) 2·10¹⁴ см^-3 n_i 2·10¹⁶ см^-3, Т 300К) в зависимости от величины всестороннего сжатия кристалла. Кривые 1-7 спектры излучения положительного контраста, кривые 8-14 спектры излучения отрицательного контраста: кривые 1,8 Р_а атмосферное давление; 2,9 Р 2 кбар; 3,10 Р 4 кбар; 4,11 P 6 кбар; 5,12 Р 8 кбар; 6,13 Р 10 кбар; 7,14 Р 12 кбар. На фиг. 3 в относительных единицах представлены спектры излучения PbTe (N_A N_D) 10¹³ см^-3 n_i 1,5·10¹⁶ см^-3, Т 300К) в зависимости от величины всестороннего сжатия кристалла. Кривые 1-7 спектры излучения положительного контраста, кривые 8, 14 спектры излучения отрицательного контраста: 1,8 Р_а атмосферное давление; 2,9 Р 2 кбар; 3,10 Р4 кбар; 4,11 Р 6 кбар; 5,12 Р 8 кбар; 6,13 Р 10 кбар; 7,14 Р 12 кбар. На фиг. 4 приведены результаты измерения в виде отношения I(Р)/I_o(P_а) интенсивности излучения положительного контраста излучения положительного контраста в сжатом образце I(P) и интенсивности излучения при атмосферном давлении I_o(P_a) для кристалла InSb с параметрами как на фиг. 1. Кривая 1 Р_а атмосферное давление; 2 Р 1 кбар; 3 Р 2 кбар; 4 Р 3 кбар; 5 Р 4 кбар; 6 Р 5 кбар; 7 Р 7 кбар; 8 Р 7 кбар; 9 Р 8 кбар. Как и в способе-прототипе в данном изобретении предложен способ управления параметрами зона-зонного излучения, т. е. излучения в спектральном диапазоне hν >E_g. При этом зона-зонное излучение положительного контраста (люминесценция) и зона-зонное излучение отрицательного контраста (отрицательная люминесценция) есть превышение или уменьшение излучения по отношению к тепловому равновесному излучению соответственно. Мощность же теплового равновесного излучения в области зона-зонных переходов (hν > E_g) может быть представлена как и в прототипе W_o=(1-R) (2) где R коэффициент отражения, с скорость света, U_n, U_p подвижность электронов и дырок соответственно, k постоянная Больцмана, Т абсолютная температура. Отрицательная люминесценция есть модуляция теплового излучения в сторону его уменьшения, и выражение (2) определяет максимально достижимую мощность отрицательной люминесценции, которая достигается при полном запирании выхода теплового излучения из полупроводника в указанном спектральном диапазоне. Так же, как и в способе-прототипе, максимум спектра излучения в данном изобретении определяется выражением λ (3) Причем, в отличие от способа-прототипа, рабочая длина волны в максимуме спектра λ_гр управляется посредством всестороннего сжатия полупроводникового кристалла через барическую зависимость ширины запрещенной зоны λ_гр (4) где q барический коэффициент ширины запрещенной зоны, Р давление. Исходя из вышеизложенного, понятно, что излучение отрицательного контраста обладает барической зависимостью. Более наглядно это следует из выражения для W_o(P), которое можно получить из (2) введя барические коэффициенты для E_g и n_i W_o(P)=(1-R) (5) где N_c N_v^1/2 exp[-(E_g + qP)/2kT)] барическая зависимость собственной концентрации электронно-дырочных пар. Выражения (4) и (5) являются основными математическими выражениями, отражающими возможность плавного управления спектральной мощностью излучения отрицательной люминесценции путем всестороннего сжатия кристалла. Следует отметить, что математическая процедура получения барической зависимости спектральной мощности излучения отрицательного контраста проведенная для hν>E_g+qP-диапазона, ограниченного зона-зонными переходами, определяет также и спектральный диапазон зона-зонного излучения положительного контраста. Таким образом, граница спектрального диапазона положительного контраста будет также задаваться выражением (4). Однако, т.к. излучение положительного контраста есть положительная люминесценция, то превышение ее над равновесным излучением зависит от соотношения вкладов излучательных и безизлучательных механизмов рекомбинации, т. е. от квантового выхода излучательной рекомбинации. Рабочее давление Р подбирается исходя из выбранной длины волны, на которой будет работать источник. При этом используется взаимосвязь между длиной волны излучения и шириной запрещенной зоны E_gполупроводника, задаваемая выражениями (2), (3). Преобразуя (4), получаем условие, дающее взаимосвязь между выбранной рабочей длиной волны излучения и необходимой для достижения этой длины волны величиной давления P (6) Учтем то, что E_g есть исходная ширина запрещенной зоны в несжатом кристалле и связана с исходной длиной волны излучения соотношением (3). Произведя замену E_g на λ_o, получим P (6)
Это условие позволяет при известных значениях параметров E_g и q материала, а также при выбранной рабочей длине волны λ_p излучения, на которой должен работать источник, подбирать величину необходимого для этого всестороннего сжатия источника. При этом величина всестороннего сжатия выбирается из диапазона
Р_кр > Р > P_o, (7) где Р_кр критическое давление, соответствующее точке фазового перехода полупроводникового материала под давлением; Р_о атмосферное давление. Учитывая (7), получаем полное условие для диапазона давлений в виде
P_кр>P >P_o (8) Точка фазового перехода при Р Р_кр известный параметр полупроводникового материала, означающий, что при этом давлении полупроводник осуществляет фазовый переход в полуметалл и теряет свои полупроводниковые свойства. Условие (8) задает диапазон давлений, обеспечивающих повышение эффективности плавного управления спектральными характеристиками излучения положительного и отрицательного контраста. Повышение эффективности управления спектральной характеристикой в заявляемом способе по сравнению со способом-прототипом связано, в основном, не с темпом изменения ширины запрещенной зоны E_g от давления по сравнению с температурным изменением, а с барической зависимостью концентрации свободных носителей тока n_i. Проанализируем темп изменения n_i при термическом и барическом воздействии. В обоих случаях концентрация n_i задается выражением
n_i N_cN_v^1/2 exp[-E_g/2kT] (9) где N_c, N_v плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно; Т температура. В случае термического управления спектром излучения n_i быстро уменьшается за счет изменения членов E_g и kТ при снижении Т. Если же управление спектром барическое, то при фиксированной температуре Т изменение происходит лишь за счет изменения Е_g, т.е. (E_g + qP). В результате при прочих равных условиях, барическое управление обеспечивает более широкий диапазон плавной перестройки спектров излучения, чем в способе-прототипе, так как n_i остается больше концентрации примеси N_пр в более широком диапазоне изменения E_g, а значит и больше диапазон изменения длины волны излучения λ Это следует также из того, что стимуляция излучения как и в прототипе осуществляется магнитоконцентрационным эффектом и эффективно осуществляется только при условии n_i > N_пр, т.е. в полупроводниках с собственной проводимостью. Следует еще раз подчеркнуть, что в отличие от излучения отрицательного контраста, для положительной люминесценции важным является соотношение между излучательным и безизлучательным механизмами рекомбинации. Исходя из этих соображений, при управлении спектром излучения только положительного контраста, диапазон рабочих давлений (8) может быть сужен до значений, обеспечивающих максимальный вклад излучательной рекомбинации над безизлучательными механизмами, что и обеспечивает достижение максимальной эффективности управления спектральной характеристикой в этом случае. Условие (1), накладываемое на давление при управлении спектром излучения только положительного контраста, указывает на диапазон давлений, при которых достигается повышение квантового выхода излучения, т. е. достигается повышение роли излучательного механизма рекомбинации над безизлучательным. Оно получено из следующих предпосылок. Основной характеристикой рекомбинационных процессов является время жизни носителей тока, которое может быть представлено в виде
+ (9) где τ_эф эффективное время жизни носителей тока; τ_A время жизни при Оже-рекомбинации; τ_R время жизни при зона-зонной излучательной рекомбинации. Исходя из этого определим квантовый выход излучения как отношение:
ζ (10) Отсюда видно, что для увеличения квантового выхода излучения необходимо либо уменьшение τ_R либо увеличение τ_A. Авторами впервые установлено, что при всестороннем сжатии узкозонных полупроводников с положительным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны происходит резкое снижение темпа Оже-рекомбинации носителей тока и увеличение времени жизни (фиг. 1). Анализируя кривые на фиг. 1 и принимая в расчет только барическую зависимость τ_A и τ_R можно говорить о том, что с ростом давления квантовый выход излучения может расти почти до 100% В то время как в несжатом кристалле InSb он составляет ≈ 6% Однако, экспериментально полученные значения τ_эф (кривая 6) существенно отличаются от расчетных (кривая 4) при учете только τ_A и τ_R. В этой ситуации следует определить, какой неучтенный механизм рекомбинации дает такое расхождение. Исходя из альтернативных возможностей авторы предположили, что это механизм рекомбинации через уровни в запрещенной зоне механизм Шокли-Рида. Расчет барической зависимости времени жизни для этого механизма (кривая 3) дает хорошее совпадение τ_эф¹ (кривая 5) с экспериментально полученными значениями τ_эф (кривая 6). + + (11) Таким образом, при всестороннем сжатии узкозонных материалов с положительным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны следует учитывать также рекомбинацию Шокли-Рида. В этом случае величину квантового выхода будет ограничивать и этот процесс, а квантовый выход принимает вид
ζ (12) В условиях конкуренции трех механизмов рекомбинации величина квантового выхода определяется ролью излучательной рекомбинации на фоне всех этих процессов. Поэтому при всестороннем сжатии следует учитывать барическую зависимость всех процессов в сумме. При этом, как следует из (12) в общем случае квантовый выход будет возрастать (при возрастающем τ_R) только в тех случаях, когда τ_эф также растет. Авторы при проведении исследований барической зависимости времени жизни в кристаллах InSb, CdHgTe установили, что возрастание τ_эф при всестороннем сжатии этих кристаллов достигается только в диапазоне давлений, где выполняется условие
n_i > N_пр. (13) где N_пр N_A N_D концентрация примеси. Отсюда вытекает ограничение на величину давления, прикладываемого к полупроводниковому материалу. Для достижения максимальной эффективности управления спектром положительной люминесценции, давление следует увеличивать выше Р_о только лишь до тех пор, пока выполняется условие (13), обеспечивающее повышение квантового выхода. Перепишем условие (13) раскрыв барическую зависимость
N_cN_v^1/2 exp[-(E_g +qH)/2kT] > N_пр. (14) Преобразуем (14)
exp< Отсюда после логарифмирования и учета того, что E_g связано с исходной длиной волны λ_o соотношением (3), получим
ln >P (15) Но учитывая, что давление увеличивается начиная с Р_о, запишем
ln >P>P_o (16) Неравенство (16) задает диапазон давления, в котором всестороннее сжатие узкозонных кристаллов с положительным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны обеспечивает увеличение квантового выхода. При этом диапазон, задаваемый неравенством (16), является частью диапазона неравенства (8), т.к. в (16) давление Р всегда меньше Р_кр. Если Р станет больше Р_кр. то полупроводник, претерпев фазовый переход, перейдет в полуметалл, т.е. в бесщелевой материал, E_g исчезнет и все неравенства (13-16) потеряют смысл. Таким образом в заявленном техническом решении достигается повышение эффективности управления параметрами излучения положительного и отрицательного контраста в расширенном спектральном диапазоне. Одновременно возможно и дальнейшее повышение эффективности управления параметрами излучения положительного контраста. Повышение эффективности достигается прежде всего тем, что в заявленном способе нет необходимости применения систем теpмоpегулиpования, а широкий спектральный диапазон изменения λ_p позволяет в одном полупроводниковом материале реализовать спектр излучения, перекрывающий спектр излучения нескольких материалов. Возрастание квантового выхода излучения положительного контраста в процессе управления его спектральными характеристиками обеспечивает дальнейшее повышение эффективности такого управления. Это объясняется тем, что повышение квантового выхода излучения означает увеличение интенсивности излучения, выходящего из полупроводникового материала при фиксированных энергозатратах на его стимуляцию. Излучатель, изготовленный из i-InSbn (N_A N_D 2·10¹⁴ см^-3, Т 300К, n_i 2·10¹⁶ см^-3) в виде пластины с омическими контактами на торцах, широкие грани которой отливались скоростями поверхностной рекомбинации S₁ < S₂. Размеры пластины I x a x d 3 х 1,5 х 0,8 мм³. Для получения S₁ 10⁴ см/c грань обрабатывалась в химически полирующем травителе СР-4А, противоположная грань шлифовалась абразивным порошком М1, что обеспечивало S₂ 10⁶ см/с. Пластина помещалась в камере высокого давления непосредственно у окна на S_i гранью с S₁. Барический коэффициент ширины запрещенной зоны InSb q 1,5 · 10^-6Эв/бар. Для создания избытка или дефицита носителей тока в источнике, камера помещалась между полюсами электромагнита таким образом, чтобы сила Лоренца, возникающая при прохождении через электронно-дырочные пары носителей тока на одну из широких граней пластины S₁ или S₂. При отклонении к грани с S₁ в пластине из-за магнитоконцентрационного эффекта возникает избыток носителей тока ( Δn > 10¹⁷ см^-3) режим обогащения, а при отклонении к грани с S₂ в пластине возникает дефицит носителей тока (- Δn < 10¹⁴ см^-3) режим истощения. В режиме обогащения наблюдается положительное излучение (люминесценция), а в режиме истощения отрицательная люминесценция. Величины прикладываемых полей: E 10 100 В/см, Н 6 кЭ. Во избежание разогрева электрическое поле прикладывалось в виде импульсов длительностью t 20 мкс. Источник, размещенный в камере высокого давления подвергался всестороннему сжатию в диапазоне давлений от Р_о атмосферное до Р 12 кбар, что обеспечивало при разных Р различную длину волны излучения λ_p При помощи спектрометра ИКС-21 записывались спектры излучения источника положительного и отрицательного контраста, которые приведены на фиг. 2. Все спектры на фиг. 2 приведены в относительных единицах и нормированы на абсолютное значение в максимуме излучения для каждого давления. Кривые на фиг. 2: 1-7- спектры излучения положительного контраста; 8, 14 спектры излучения отрицательного контраста; 1,8 Р_о атмосферное; 2,9 Р 2 кбар; 3,10 Р 4 кбар; 4,11 Р 6 кбар; 5,12 Р 8 кбар; 6,13 Р 10 кбар; 7,14 Р 12 кбар. Видно, что приложение всестороннего сжатия от атмосферного до 12 кбар позволяет плавно изменять рабочую длину волны λ_p измерения положительного и отрицательного контраста от 6,88 до 3,44 мкм. Излучатель, изготовленный из i PbTe (N_A N_D 10¹³ см^-3, Т 300К, n_i 1,5·10¹⁶ см^-3) в виде пластины с омическими контактами на торцах, широкие грани которой отличались скоростями поверхностной рекомбинации S₁ < S₂. Размеры пластины 3 х 1,5 х 0,02 мм³. Для получения S₁ ≈ 10⁴ см/с грань обрабатывалась в химически полирующем травителе (6% Br + HBr) или (1% HBr + 30% H₂O₂) противоположная грань шлифовалась абразивным порошком М1, что обеспечивало S₂ ≈ 10⁶ см/с. Пластина помещалась в камере высокого давления непосредственно у окна из Ge, гранью S₁ к окну. Барический коэффициент ширины запрещенной зоны PbTe q 7·10^-6 эВ/бар (отрицательный). Все операции измерения проводились как и для InSb. Их результаты представлены на фиг. 3. Все спектры на фиг. 3 приведены в относительных единицах A и нормированы на абсолютное значение в максимуме излучения для каждого давления. Кривые на фиг. 3: 1-7 спектры излучения положительного контраста; 8-14 спектры излучения отрицательного контраста; 1, 8 Р_о атмосферное; 2,9 Р 2 кбар; 3,10 Р 4 кбар; 4,11 Р 6 кбар; 5,12 Р 8 кбар; 6,13 Р 10 кбар; 7,14 Р 12 кбар. Приложение всестороннего сжатия от атмосферного до 12 кбар позволяет плавно изменять рабочую длину волны λ_p излучения от 4,27 до 6,02 мкм. Полупроводниковая пластина из InSb, параметры которой как и на фиг. 1, помещенная в камере высокого давления, расположенной между полюсами магнита, подвергалась всестороннему сжатию в диапазоне давлений (16). В полупроводниковой пластине скрещенными Е и Н полями создается режим обогащения носителями тока ( n > 10¹⁷ см^-3) носители выносятся к грани S₁. Измеряется зависимость интенсивности излучения положительного контраста от давления и величины электрического поля при Н 6 кЭ. Излучение фиксировалось фотоприемником ФД-30 с болометрической спектральной характеристикой. Сигнал с фотоприемника подавался на селективный усилитель У2-6 с калиброванным коэффициентом усиления. На фиг. 4 результаты измерения представлены в виде отношения интенсивности излучения положительного контраста достигаемой в сжатом образце I(P) к интенсивности излучения при атмосферном давлении I_o(P). Кривые на фиг. 4: 1 Р_о атмосферное; 2 Р 1 кбар; 3 Р 2кбар; 4 Р 3 кбар; 5 Р 4 кбар; 6 Р 5 кбар; 7 Р 6 кбар; 8 Р 7 кбар; 9 Р8 кбар; 10 Р 10 кбар. По результатам измерений оценивался квантовый выход излучения. С ростом давления величина квантового выхода увеличивается от 6% до 30% Возрастание квантового выхода излучения положительного контраста при всестороннем сжатии кристалла обеспечивает максимальное повышение эффективности управления параметрами излучения. Наряду с управлением спектром излучения достигается и увеличение его интенсивности. Заявляемый способ в будущем целесообразно использовать в многофункциональных системах обработки и передачи информации для обеспечения их работы с разнесенными по месту оптическими информационными каналами, для создания малогабаритных спектральных приборов без оптических приспособлений развертки спектра излучения, а также в системах анализа составов газовых сред.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий создание в полупроводнике избытка или дефицита концентрации электронно-дырочных пар, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона плавного управления параметрами излучения положительного и отрицательного контраста при обеспечении максимальной эффективности квантового выхода излучения положительного контраста, используют материал с собственной проводимостью и положительным или отрицательным барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны, производят его всестороннее сжатие согласно условию

где P давление сжатия;
P_а атмосферное давление;
λ_o длина волны излучения несжатого полупроводника;
N_с, N_v плотность состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно;
q барический коэффициент ширины запрещенной зоны;
N_пр концентрация примеси;
k постоянная Больцмана;
T температура;
h постоянная Планка;
с скорость света.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4