Спосіб збудження інфрачервоного випромінювання

1, Способ возбуждения инфракрасного излучения, включающий приложение элект рического поля к активному элементу, выполненному в виде пластины из полупроводникового материала с биполярной проводимостью, толщиной порядка диффузионной длины, с электрическими контактами на торцевых гранях и различающимися более чем на порядок скоростями поверхностной рекомбинации на широких гранях, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что пластину выбирают с ориентацией максимального пьезосопротивления в направлении, перпендикулярном торцевым граням, и сжимают в том же направлении. Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике. В качестве прототипа выбран способ возбуждения ИК-излучения [2], основанный на использовании явления отрицательной люминесценции. Он включает изготовление активного элемента из собственного полупроводника, толщиной, сравнимой с диффузионной длиной и помещение его в скрещенные электрическое Е и магнитное Н поля, вектора которых параллельны широким граням полупроводниковой пластины, Способ также включает обработку поверхности, позволяющую обеспечить различие скоростей поверхностной рекомбинации на широких гранях пластины на порядок или более. Управление параметрами излучения в данном способе затруднено в связи с необходимостью одновременного контроля обоих управляющих воздействий - электрического и магнитного полей. Одновременно, наличие источника магнитного поля сужает возможности применения способа из-за необходимости его экранировки. Общим для известных объектов недостатком является сложность управления параметрами излучения. Изобретение решает задачу упрощения управления параметрами излучения, путем возбуждения отрицательной люминесценции одноосным сжатием кристаллографически ориентированного полупроводникового излучающего элемента, вызывающем анизотропию электронно-дырочной проводи 2. Способ возбуждения инфракрасного излучения по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что активный элемент дополнительно нагревают. ел ел о о О 15509 мости Задачей, решаемой изобретением, чепяется также повышение мощности излучения. Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе возбуждения инф- 5 р а к р а с н о г о и з л у ч е н и я , включающем приложение электрического поля к активному элементу, выполненному в виде пластины из полупроводникового материала, с биполярной проводимостью, толщиной по- 10 рядка диффузионной длины, с электрическими контактами на торцевых гранях и различающимися более чем на порядок скоростями поверхностной рекомбинации на широких гранях, пластину выбирают с ори- 15 ентацией максимального пьезосопротивления в направлении, перпендикулярном торцевым граням и сжимают в том же направлении. ное уменьшение концентрации свободных носителей имеет место вблизи этой грани. По мере увеличения напряженности электрического поля Е при постоянном давлении Р истощение распространяется по всему сечению кристалла в у-направлении за исключением узкого слоя вблизи грани 4. До настоящего времени было известно, что отрицательная люминесценция в полупроводниках возможна только в условиях эффектов эксклюзии и магнитоконцентрированного. Проведенные авторами исследования показывают, что для возбуждения отрицательной люминесценции в полупроводнике нет физической необходимости в антизапорном контакте или магнитном поле. Достаточно использовать электрическое поле в условиях одноосного сжатого полупроводника, что значительно упрощает упДля повышения мощности излучения ак- 20 равление параметрами излучения. тивный элемент дополнительно нагревают Остановимся подробно на условиях, со стороны грани, противоположной излучаобеспечивающих этот процесс. Движение ющей. электронов и дырок является взаимозависимым в силу принципа электронейтральноНа фиг.1 представлена схема осуществления способа, где 1 - полупроводниковая 25 сти. Поэтому поперечный вынос свободных носителей в поле Е определяется разностью пластина, 2,3 - омические контакты, 4 относительных анизотропии тензоров элекгрань с большой скоростью поверхностной тронной /^м И ДЫрОЧНОЙ/Ур ПОДВИЖНОСТЄЙ рекомбинации Si, 5 - грань с малой скоростью поверхностной рекомбинации Sz, На фиг,2 представлены полевые зависи- 30 мости сигнала отрицательной люминесценц и и , от величины напряженности электрического поля Е полученные при дави будет наиболее эффективен при максилении Р = 2 • 10 кг/см и различных темпемальном значении а, где а - параметр аниратурах активного элемента: кривая 1 - 3 5 зотропии. Соответственно управление 343К; кривая 2 - ЗООК. На торцах активного параметрами отрицательной люминесценэлемента развивают с помощью прижимноции электрическим полем осуществляется го устройства давление Р. Под воздействием наиболее просто при выполнении условия такого одноосного сжатия кристалла в наа = атах, представляющего критерий выбора правлении приложения электрического попя 40 кристаллографической ориентации плоско(ось - ОХ) - тензоры электронной и дырочсти 5. Параметр анизотропии атах достиганой проводимости становятся анизотропныется следующим образом. Ф а к т о р а ми в п л о с к о с т и (ХОУ). Поэтому при пропорционален давлению Р и связан с ним включении на контактах образца электричепосредством электронной и дырочной комского поля Е свободные носители движутся 45 понент тензора пьезосопротивления П не вдоль оси (ОХ), а под углом к ней и вынор сятся из объема полупроводника на широа{ ГЬу.хх - Псу.хх] х Р. Следовательно, крикую боковую грань 4, характеризуемую сталлографическая ориентация грани 5 большой скоростью поверхностной рекомдолжна быть такова, чтобы разность п бинации Si. При этом концентрация носите- 50 р лей в объеме и у поверхности грани 5 (Пху.хх - Псу.хх *0) А"* данного полупроводуменьшается, а у поверхности 4 остается никового материала была максимальной и неизменной из-за их быстрой безызлучане равной нулю. Следует отметить, что знательной рекомбинации. В силу принципа чения компонент тензора пьезосопротивлеэлектронейтральности электроны и дырки 55 ния известны для всех, используемых в движутся парами, поэтому уменьшение обънастоящее время полупроводниковых матеемной концентрации носителей происходит риалов. Для практического применения критерия достаточно воспользоваться до уровня некомпенсированной примеси, справочными данными для выбранного поТак как скорбеть поверхностной рекомбиналупроводника. ции на грани 5 минимальна, наиболее сильп 15509 Изменение концентрации свободных носителей в поперечном направлении обусловлено наличием продольного сжатия и возникает при включении электрического поля. Поэтому в у-иаправлении концентрация носителей пропорциональна как давлению Р, так и напряженности электрического поля Е и зависит от их произведения у я К х Е х Р, где К - коэффициент пропорциональности 10 и она максимальна в связи с тем. что попупроводник является оптически толстым, то есть его толщина на порядок превосходит величину обратного коэффициента поглощения 1 / а . Здесь К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; і - иэлучательная способность кристалла; с - скорость света; h - постоянная Планка; Eg - ширина запрещенной зоны. Учитывая выражение (3) при выполнеп р нии условия (2). можно утверждать, что сигК — I ' Ьу.хх ~ -Iвду.хх] в L нал отрицательной люминесценции 4кТ определяется только мировыми постоянными, шириной запрещенной зоны и темпераЗдесь е - заряд электрона; L - диффузион- 15 турой излучателя. ная длина, к - постоянная Больцмэна, Т В связи с этим целесообразно для повышения мощности излучения использовать абсолютная температура, Uty,xx, ІЦ.хх нагрев активного элемента. Давление Р не электронная и дырочная компоненты тендолжно превышать критическое давление зора пьезосопротивления соответственно. Эта зависимость ведет себя следующим об- 20 Ркр. разрушения определяемое по справочнику для конкретно взятого полупроводниразом. В области малых попей концентрака. Верхний предел электрического поля, ция носителей уменьшается с ростом у, при естественно, определяется полевым разонекоторых значениях у ~ у0 все носители гревом кристалла при протекании по нему концентрируются у поверхности 4 с боль25 тока, который начинается при шой скоростью поверхностной рекомбинации на глубине равной сжатой диффузионной длине 6/2 у, где d - полутолЕкр.= (4) щина образца, а весь остальной объект полупроводника 2д ~ полностью истощен. Условие для определения у0 получается 30 где VT - тепловая скорость электронов; fin ~ подвижность электронов. следующим образом. Из-за большого переВерхняя граница электрического поля поглощения в спектральной области фундазадается неравенством ментальных переходов излучение Е кр > Е. (5) отрицательной люминесценции определяНижний предел электрического поля Ео ется изменением концентрации носителей 35 теоретически может быть бесконечно мал и на глубине порядка обратного коэффициенреально определяется как минимально возта собственного поглощения 1 / а от излучаможное для конкретного источника электриющей поверхности. Для достижения ческого поля. При этом необходимое максимальной амплитуды отрицательной люминесценции необходимо, чтобы область 40 давление Ро определяется из условия (2) истощения распространялась вглубь кристалла от излучающей поверхности на расРо = (6) стояние хотя бы на порядок больше, чем 10 2у а • Это дает следующее условие для у 45 Определенное таким образом давление Ро при минимальном заданном электрическом поле Е является минимальным давлением, необходимым для реализации (2) у> | и 9 2/о - 10 \ 50 способа. Исходя из этого, полное условие, 2 \ а и ) определяющее диапазон давлений принимает вид: В этом случае плотность потока отрицаРо < Р 20 > 2 / 2 _ 1 0 / a d \ выполнялось при у > 0,5. Зависимости сигнала отрицательной люминесценции, от величины напряженности электрического поля, снятые при температуВ Украине имеется задел по выпуску по- 25 рах 343К (кривая 1) и 300К (кривая 2) представлены на фиг.2. Амплитуды сигнала лупроводниковых материалов, используеотрицательной люминесценции на участке мых для источников - Запорожский насыщения кривой 1 более чем в 2 раза титано-магниееый комбинат, а также ряд попревосходит такое же значение на кривой 2, тенциальных потребителей, производственная база которых одновременно позволяет 30 что свидетельствует о повышении мощности излучения при нагреве активного элемента. освоить серийный выпуск источников излуВ обоих случаях амплитуда сигнала отрицачения: ПО "Завод Арсенал" (Киев); Завод тельной люминесценции постоянна при Е > "Кварц" (Черновцы); СКВ CAT (г. Ужгород); >30 В/см, что соответствует значению ут Институт аналитического приборостроения (Киев); За рубежом потенциальными потре- 35 ==0,48, а при Е "Santa Barbara" (США); "AGEMA" (Греция). if П р и м е р . Активный элемент был вы0 П р е д е л я е т Р а б о ч и й Диаполнен в виде пластины из чистого p-Ge (NA 40 > о (Ъ - 1 0 / g ' d 1 пазон необходимых полей и давлений. - ND - 1012 см"3) с собственной проводимостью. Плоскость пластины вырезалась под Заявляемые объекты можно использоуглом 29° к кристаллической оси [III]. вать для настройки и контроля приборов ИККонтакты изготавливались в виде тонких техники, в частности приборов пластин из химически чистого олова (Sn), 45 тепловидения, а также в качестве эталоннокоторые прижимались к торцам полупроводго источника излучения ИК-диапазонэ во никовой пластины. Диффузионная длина совсех приборах, в том числе и в магниточувставляла L - 1 мм, коэффициент ствительных. фундаментального поглощения абыл равен 50 15509 Фиг. 2 Упорядник В. Малютенко Замовлення 4187 Техред М.Моргентал Коректор Л. Пилипенко Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101