CC BY
78Наталья ТРОПИНА Алексей ТРОПИН
Полупроводниковые источники излучения
для инфракрасной области спектра
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. Длинноволновая 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 временная 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 се-ленида свинца и твердых растворов на его основе.
Анализ рекомбинационных процессов в халькогенидах свинца показывает, что эф-
фективность излучательной рекомбинации может достигать больших значений [1]. А использование в качестве источника оптической накачки ОаЛ8 светодиода позволяет получить значения оптической мощности до нескольких сотен микроватт в непрерывном режиме при комнатной температуре.
Спектральная характеристика фотолюминесценции нанокомпозитных пленок РЬ8е, 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 — больцма-новским распределением носителей по энергиям.
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 PЬSe-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
Рис. 1. Спектральное распределение интенсивности фотолюминесценции в зависимости от концентрации С(33е в твердом растворе РЬ1-хС(ЗхЗе
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 ’2008
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 кон-
струкция полупроводникового излучателя производства ОАО «НИИ “Гириконд”».
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 ОаЛ8 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.
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 N0, N0^ СО, С02, метан, пропан, аммиак и другие. ■
Литература
1. Дийков Л. К., Непомнящий С. В., Пашкевич А. В., Шелехин Ю. Л. Фотолюминесценция поликристаллических пленок Pb1-ICdISe // Физика полупроводников. 1984. Т. 8, вып. 12.
2. Горбунов Н., Варфоломеев С., Дийков Л., Медведев Ф. Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры // Компоненты и технологии. 2004. № 6.
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
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2008
www.kit-e.ru
