ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01L33/00 H05B33/20 

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а более конкретно к источникам инфракрасного (ИК) излучения и может найти применение в спектрометрах, в системах обнаружения и связи и в качестве калибровочных (тестовых)излучателей.

Традиционный подход в создании источника в средней ИК-области состоит в том, что область инжекции и рекомбинации расположены в единой р-n или гетеро-р-n структуре. Так, известен полупроводниковый источник ИК-излучения (см. Zh.I. Alferov, III-V Review, Vol.11 (1998), No 1, рр.26-31), содержащий активную область из материала A³B⁵ с заданной шириной запрещенной зоны и р-n переход, излучающий в ближней ИК-области спектра.

Известный источник ИК-излучения может работать при повышенных температурах. Недостатком известного источника является отсутствие возможности работы в средней ИК-области спектра, где находятся основные (фундаментальные) полосы поглощения веществ и где эффективность проведения анализа спектров особенно высока.

Известен полупроводниковый источник ИК-излучения (см. J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco et al. - "Quantum cascade laser". - Science, 1994, 264, pp.553-556), содержащий многослойную активную область из материалов A³B⁵, в котором электроны осуществляют квантово-каскадные переходы. В отличие от традиционных лазеров с межзонными переходами, излучательные переходы в таких лазерах осуществляются не между дырочными и электронными состояниями, а между электронными состояниями в подзонах внутри зоны проводимости квантовых ям. Вследствие этого свободный электрон, инжектированный в структуру, не исчезает при излучательном переходе и может принять участие в последующих переходах, если будет осуществлена его инжекция в лежащих ниже активных областях (их количество обычно варьируется от 25 до 40), расположенных «каскадом». Межподзонная рекомбинация создает ряд преимуществ по сравнению с межзонной рекомбинацией в традиционных лазерах. Прежде всего, этот касается механизма рассеяния, который в случае межподзонных переходов осуществляется за счет взаимодействия с продольными оптическими (LO) фононами и потому слабо зависит от температуры в сравнении с Оже-рекомбинацией. В известном источнике область инжекции отделена от области рекомбинации эти области, т.е. создание возможности инжекции в одном материале, а возможность рекомбинации в средней ИК-области - в другом, обеспечило возможность свободы в выборе материала инжектора (р-n перехода). Благодаря этому удалось создать инжектор (р-n переход) в материале с большой шириной запрещенной зоны, что резко увеличило эффективность инжекции при повышенных температурах. При этом кажущаяся неэффективность, вызванная дополнительным фотопреобразованием квантов, сформированных в первой активной области в кванты и излучаемых затем в последующей оптически связанной активной области через процесс поглощения и рекомбинации hν₁→hν₂, перекрывается выигрышем в эффективности инжекции (h - постоянная Планка, h=6,626·10^-34 Дж·с или h=4,135669212 10^-13 эВ·c, ν₂ - частота рекомбинационного излучения, с^-1). Это привело к новому эффекту - возможности эффективной работы источника в средней ИК-области при повышенных температурах.

Недостатком известного источника излучения является низкая мощность излучения в области энергий hν₂<0,12 эВ.

Действительно, в квантово-каскадных лазерах достигнута непрерывная генерация при комнатной температуре в диапазоне 5-10 мкм (см. M. Beck, D. Hofsteller, T. Aellen et al. - "Continuous - wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature". - Science, 2002, 295, pp.301-305; A. Evans, J.S. Yu, S. Stivken et al. - "Continuous - wave operation of λ~4,8 µm quantum cascade lasers at room temperature". - Appl. Phys. Lett. - 2004, 85, pp.2166-2168; S. Blaser, D.A. Yarekha, L. Hvozdara et al. - "Room temperature Continuous - wave single mode quantum cascade lasersat λ~5,4 µm". - Appl. Phys. Lett. - 2005, 86, 0411109-041111), что недоступно для обычных диодных лазеров.

Вместе с тем, полупроводниковые источники ИК-излучения, в которых электроны осуществляют квантово-каскадные переходы, не нашли пока широкого применения из-за сложности процесса производства таких источников и ряда технических особенностей, к которым относятся, например, узкая линия излучения, недостаточно высокая мощность в непрерывном режиме.

Известен источник ИК-излучения (см. патент US №6876006, МПК H01L 25/075; H01L 33/00, опубликован 05.04.2005), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Источник-прототип включает первичный преобразователь энергии с токоподводящими контактами и электрически не связанную с ней активную область с оптической толщиной в направлении вывода излучения, не превышающую значения обратной величины среднего коэффициента поглощения активной области в рабочем диапазоне энергий квантов. Активная область выполнена из пластины, содержащей полупроводниковый материал A³B⁵ и/или его твердые растворы с прямой структурой энергетических зон, имеющий поглощение в рабочем диапазоне длин волн. Первичный преобразователь выполнен из полупроводника, содержащего р-n переход.

Недостатком известного источника ИК-излучения является низкая мощность излучения в области энергий hν₂<0,12 эВ.

Задачей заявляемого изобретения является разработка такого источника инфракрасного излучения, который бы имел повышенную мощность излучения в области энергий hν₂<0,12 эВ.

Поставленная задача решается тем, что источник инфракрасного излучения включает первичный преобразователь энергии с токоподводящими контактами и активную область с оптической толщиной в направлении вывода излучения, не превышающей двойного значения обратной величины среднего коэффициента поглощения активной области в диапазоне энергий квантов излучения источника. Активная область выполнена по меньшей мере из одной непроводящей жидкости или газа, имеющих полосы поглощения излучения источника, первичный преобразователь энергии выполнен из пьезоэлектрика. Активная область и первичный преобразователь энергии помещены в герметичный корпус, по меньшей мере часть которого прозрачна для излучения источника.

Корпус источника может быть выполнен из материала, прозрачного для излучения источника.

По меньшей мере часть внутренней поверхности корпуса, противолежащая прозрачной для излучения части корпуса, может быть выполнена отражающей излучение источника. Отражающая излучение источника часть внутренней поверхности корпуса при этом может быть выполнена криволинейной с центром кривизны, расположенным со стороны, противоположной прозрачной части корпуса, и иметь площадь, по меньшей мере двукратно превосходящую площадь проекции на нее первичного преобразователя энергии.

Токоподводящие контакты первичного преобразователя энергии могут быть выполнены отражающими излучение источника.

Поверхность преобразователя, не закрытая токоподводящими контактами, может быть выполнена отражающей излучение источника.

Первичный преобразователь энергии может иметь имеет вытянутую форму, причем его длинная сторона ориентирована в направлении прозрачной части корпуса.

В отличие от источника-прототипа, в заявляемом источнике материалом активной области является непроводящая жидкость или газ. Вместо инжекции электрических носителей в заявляемом источнике использован акустооптический эффект, а именно преобразование акустических колебаний, созданных первичным преобразователем энергии (пьезоэлектриком), в тепловую энергию газа или жидкости. При возбуждении газа или жидкости, т.е. при переходе в возбужденное состояние, последнее быстро релаксирует, причем значительная часть процесса релаксации осуществляется за счет испускания фотонов. Вероятность испускания фотонов имеет максимумы вблизи полос поглощения вещества. Так, например, для газа с химической формулой SF₆, одна из основных полос поглощения находится в области 10 мкм, соответственно, область излучения также находится вблизи длины волны 10 мкм. Было установлено, что процесс излучательной релаксации в газе имеет большую вероятность, чем процесс рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике с энергией ширины запрещенной зоны, соответствующей спектральной области 10 мкм и диапазону с большими, чем 10 мкм длинами волн. Последнее связано с тем, что в полупроводниках с энергией запрещенной зоны менее 0,12 эВ велика вероятность безызлучательных переходов (Оже-рекомбинация). В качестве непроводящей жидкости могут быть использованы этанол, четыреххлористый углерод, и др.. В качестве газа могут быть использованы гексафторид серы (SF6), триэтил фосфонат (ТЕР), дизопропил метилфосфонат (DIMP), диметил метилфосфонат (DMMP) и др., спектры поглощения которых можно найти, например, в работе Пушкарского с соавторами (Appl. Phys. Lett. 88, 044103, 2006).

Включение в состав источника инфракрасного излучения первичного преобразователя энергии с токоподводящими контактами необходимо для эффективного (электронного) управления источником. Все другие преобразователи, например, тепловые, являются крайне неудобными в эксплуатации и обладают большими постоянными времени, не позволяющими их использовать в современной аппаратуре. Электронные устройства, т.е. питающиеся от источников электрической энергии, на сегодняшнем этапе развития техники являются наиболее востребованными.

Выполнение активной области с оптической толщиной в направлении вывода излучения, не превышающей двойного значения обратной величины среднего коэффициента поглощения активной области в диапазоне энергий квантов излучения источника обеспечивает эффективный вывод излучения без поглощения большей части излучения, выходящего из активной области. При невыполнении этого условия большая часть излучения будет вновь поглощаться в активной области, и интенсивность выходящего излучения будет снижаться, приводя к непригодности источника.

Выполнение активной области по меньшей мере из одной непроводящей жидкости или газа, имеющих полосы поглощения в рабочем диапазоне длин волн, необходимо для создания среды, способной излучать в заданном спектральном диапазоне. Газ или жидкость, не имеющие полос поглощения в рабочем диапазоне длин волн, не могут создать в нем кванты требуемой энергии. Выполнение активной среды из других материалов, например, из полупроводника, неэффективно из-за безызлучательной Оже-рекомбинации.

Выполнение первичного преобразователя энергии из пьезоэлектрика обеспечивает возможность возбуждения активной области с помощью энергии, тип которой приемлем для газа или жидкости. Использование других видов возбуждения, например, с помощью протекания электрического тока затруднено, поскольку большинство газов и жидкостей являются диэлектриками (например, SF₆). В качестве пьезоэлектрика могут быть использованы кварц, дегидрофосфат аммония (АДР), сульфат лития, сегнетова соль, сульфонодид сурьмы, пьезокерамика (титанат бария (ТБ-1), титанат бария кальция ТБК-3, группа цирконата - титаната свинца ЦТС-23).

Необходимость помещения в герметичный корпус активной области первичного преобразователя энергии с возможностью непосредственного контакта преобразователя и активной области обусловлена необходимостью получения максимально возможного коэффициента преобразования/максимального значения превышения температуры газа или жидкости над ее равновесным значением (Т_окр.), т.е. теплового контраста (ΔТ), который достигается только в замкнутом объеме при адиабатическом сжатии или расширении, когда пьезоэлектрический первичный преобразователь энергии непосредственно контактирует с газом или жидкостью.

Выполнение по меньшей мере части корпуса прозрачной для излучения источника необходимо для вывода излучения за пределы источника. Для получения максимальной мощности требуется использование механически прочных материалов корпуса, например металлов или их сплавов, которые, как правило, непрозрачны в оптическом диапазоне. В качестве окна можно использовать Si, CaF₂, NaCl, MgF₂ и т.д.

Выполнение активной области из смеси газов или жидкостей позволяет решить задачу расширения спектрального диапазона излучения. Решение вышеуказанной задачи обеспечивается тем, что первичный преобразователь энергии воздействует на все газы или жидкости, находящиеся в активной области, и поэтому все вещества могут одновременно излучать кванты, характерные для каждого из веществ в отдельности. В некоторых случаях возможно взаимодействие энергетических уровней газов, перераспределение возбужденного состояния и концентрация возбуждения на определенных уровнях.

Выполнение корпуса из материала, прозрачного для излучения источника, обеспечивает решение задачи дополнительного повышения мощности излучения. Это вызвано тем, что возникающее в активной области излучение не является направленным, т.е. распространяется во все стороны. Увеличение выходной мощности достигается за счет вывода большей части излучения. Такой источник подобен обычной накальной лампе со стеклянным корпусом. Для получения направленного пучка источник инфракрасного излучения следует поместить в рефлектор, отражающий излучение источника

Выполнение в источнике инфракрасного излучения по меньшей мере части внутренней поверхности упомянутого корпуса, противолежащей прозрачной для излучения части корпуса, отражающей излучение источника, обеспечивает увеличение мощности излучения в выделенном направлении, т.е. создания направленного источника. В целях уменьшения габаритов оптической схемы в данном случае рефлектор может быть интегрирован с корпусом.

Выполнение в источнике инфракрасного излучения отражающей излучение источника части внутренней поверхности корпуса криволинейной с центром кривизны, расположенным со стороны, противоположной прозрачной части корпуса, и площадью, по меньшей мере двукратно превосходящей площадь проекции на нее первичного преобразователя энергии, обеспечивает увеличение мощности излучения в выделенном направлении, т.е. создание направленного источника. Создание направленного и узкого пучка излучения возможно при превышении размеров отражателя над размерами светящейся области. Однако при размерах отражателя, больших двукратной проекции площади первичного преобразователя энергии на отражающую криволинейную внутреннюю поверхность корпуса неоправданно увеличивается объем корпуса. Это ведет к уменьшению мощности/теплового контраста (ΔТ).

Выполнение в источнике инфракрасного излучения токоподводящих контактов, отражающими излучение источника, обеспечивает увеличение мощности излучения из-за снижения поглощения излучения контактами.

Выполнение в источнике инфракрасного излучения поверхности первичного преобразователя энергии, отражающей излучение источника, обеспечивает увеличение мощности излучения из-за снижения поглощения излучения контактами.

Выполнение в источнике инфракрасного излучения первичного преобразователя энергии вытянутой формы с длинной стороной, ориентированной в направлении прозрачной части корпуса, повышает эффективность источника, поскольку создает благоприятные условия для создания максимального значения ΔТ. При ином, чем указано, расположении преобразователя неоправданно увеличивается объем корпуса, что снижает значение ΔТ.

Заявляемое устройство поясняется чертежом, где:

на фиг.1 схематически изображен первый вариант воплощения заявляемого источника инфракрасного излучения в продольном разрезе;

на фиг.2 схематически показан второй вариант воплощения заявляемого источника инфракрасного излучения в продольном разрезе;

на фиг.3 схематически изображен третий вариант воплощения заявляемого источника инфракрасного излучения в продольном разрезе;

на фиг.4 схематически показан четвертый вариант воплощения заявляемого источника инфракрасного излучения в продольном разрезе;

на фиг.5 схематически изображен пятый вариант воплощения заявляемого источника инфракрасного излучения в продольном разрезе.

Заявляемый источник 1 инфракрасного излучения (см. фиг.1) включает первичный преобразователь 2 энергии с токоподводящими контактами 3 и активную область 4 с оптической толщиной в направлении вывода излучения, не превышающей двойного значения обратной величины среднего коэффициента поглощения активной области 4 в диапазоне энергий квантов излучения источника 1. Активная область 4 выполнена по меньшей мере из одной непроводящей жидкости или газа, имеющих полосы поглощения излучения источника 1, например, из SF₆ (полоса поглощения в области 0,12 эВ). Первичный преобразователь 2 энергии выполнен из пьезоэлектрика. Активная область 4 и первичный преобразователь 2 энергии помещены в герметичный металлический корпус 5, одна стенка 6 которого выполнена прозрачной для излучения источника 1, например, из CaF₂. Токоподводящие контакты 3 и поверхность первичного преобразователя 2 энергии выполнены отражающими излучение источника. Первичный преобразователь 2 энергии имеет вытянутую форму, например, прямоугольную, причем его длинная сторона ориентирована в направлении прозрачной части (стенки) 6 корпуса 5.

Второй вариант воплощения заявляемого источника 1 инфракрасного излучения (см. фиг.2) отличается от первого варианта тем, что корпус 5 выполнен из материала, прозрачного для излучения источника, например, из монокристаллического кремния.

Третий вариант воплощения заявляемого источника 1 инфракрасного излучения (см. фиг.3) отличается от первого варианта тем, что часть 7 внутренней поверхности корпуса 5, части 6 упомянутого корпуса, выполнена отражающей излучение источника. При этом часть 7 внутренней поверхности корпуса 5 выполнена криволинейной с центром кривизны со стороны, противоположной прозрачной части 6 корпуса 5, и имеет площадь, по меньшей мере двукратно превосходящую площадь проекции на нее первичного преобразователя 2 энергии.

Четвертый вариант воплощения заявляемого источника 1 инфракрасного излучения (см. фиг.4) отличается от второго варианта тем, что источник 1 инфракрасного излучения снабжен внешним рефлектором 8 для эффективной коллимации излучения.

Пятый вариант воплощения заявляемого источника 1 инфракрасного излучения (см. фиг.5) отличается от второго варианта тем, что в источнике 1 инфракрасного излучения первичный преобразователь 2 энергии с токоподводящими контактами 3 прикреплен к корпусу 5.

В заявляемом источнике 1 инфракрасного излучения токоподводящие контакты 3 соединены с токоподводящими проводниками 9.

Заявляемый источник инфракрасного излучения работает следующим образом. Внешний источник энергии, например, источник тока (напряжения), подключают к токопроводящим контактам 3 через токоподводящие проводники 9 и подают переменное (периодическое) электрическое смещение (потенциал) на первичный преобразователь 2 энергии, инициирующее изменение объема пьезоэлектрика преобразователя 2. Изменение объема пьезоэлектрика преобразователя 2 приводит к периодическому изменению давления и, следовательно, температуры активной области 4 в корпусе 5 вследствие ее адиабатического сжатия/расширения. Релаксация возбужденной таким образом активной области 4 приводит к появлению потока фотонов, которые покидают источник 1 через прозрачный корпус 5 (а в случае металлического корпуса 5 - через его прозрачную часть 6).

В качестве первичного преобразователя был взят элемент пьезокерамический ЭПД-15. Его параметры: диаметр 15 мм; толщина 1 мм; электрическая емкость 3000±1000 пФ; tg δ=5·10^-2; пьезоэлектрический модуль (d31·10^-12, Кл/Н), не менее 100. К первичному преобразователю припаивались выводы припоем ПСрОС 3-58 ГОСТ 19746, флюс спирто-канифольный, состоящий из 25% по массе канифоли ГОСТ 19113 и 75% по массе этилового спирта ГОСТ 18300. Температура жала паяльника была не более 240°С. при времени пайки не более 3 с. С целью защиты от механических нагрузок, связанных с вибрацией в процессе работы, места пайки были покрыты клеящей массой на основе эпоксидной смолы. Первичный преобразователь был помещен в центр цилиндрического металлического корпуса с внутренним диаметром 19 мм, высотой 5 мм и толщиной стенок 2 мм, торцы которого были герметично закрыты дисками из ZnSe толщиной 1 мм, а электрические выводы через изолирующий компаунд выведены наружу. Перед герметизацией корпус заполнялся газом SF₆, при этом первичный преобразователь удерживался в середине металлического цилиндра с помощью выводов. Для приема инфракрасного излучения был использован пневматический приемник Голлея типа «Eppley», расположенный в непосредственной близости от одного из окон ZnSe. В целях сравнения с аналогом часть окна из ZnSe закрывалась непрозрачным для излучения материалом, при этом размер «незачерненной» части составлял 1×1 мм². В процессе эксплуатации на первичный преобразователь подавалось электрическое напряжение величиной до 100 В, совпадающее с полярностью, указанной на первичном преобразователе (положительная полярность). Использовался генератор прямоугольных импульсов частотой 80 Гц и осциллограф с функцией инверсии показаний. Для сравнения был взят известный источник с оптическим с возбуждением с размером излучающей области 1×1 мм², излучающий вблизи 10 мкм, переданный для проведения измерений ООО «Иоффе ЛЕД». Эксперименты показали, что сигнал пневматического приемника Голлея, при регистрации излучения от заявляемого источника, был на 50-90% выше, чем в известном источнике (светодиоде), подключенном к генератору прямоугольных импульсов тока частотой 80 Гц при максимально допустимых значениях тока светодиода.

Источник (1) инфракрасного излучения содержит первичный преобразователь (2) энергии с токоподводящими контактами (3) и активную область (4) с оптической толщиной в направлении вывода излучения, не превышающей двойного значения обратной величины среднего коэффициента поглощения активной области в диапазоне энергий квантов излучения источника (1). Активная область (4) выполнена по меньшей мере из одной непроводящей жидкости или газа, имеющих полосы поглощения излучения источника. Первичный преобразователь (2) энергии выполнен из пьезоэлектрика. Активная область (4) и первичный преобразователь (2) энергии помещены в герметичный корпус (5), по меньшей мере часть которого прозрачна для излучения источника (1). Источник (1) обеспечивает повышенную мощность инфракрасного излучения в области энергий hν₂<0,12 эВ. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Источник инфракрасного излучения, включающий первичный преобразователь энергии с токоподводящими контактами, активную область с оптической толщиной в направлении вывода излучения, не превышающей двойного значения обратной величины среднего коэффициента поглощения активной области в диапазоне энергий квантов излучения источника, активная область выполнена по меньшей мере из одной непроводящей жидкости или газа, имеющих полосы поглощения излучения источника, первичный преобразователь энергии выполнен из пьезоэлектрика, при этом активная область и первичный преобразователь энергии помещены в герметичный корпус, по меньшей мере часть которого прозрачна для излучения источника.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что упомянутый корпус выполнен из материала, прозрачного для излучения источника.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть внутренней поверхности упомянутого корпуса, противолежащая прозрачной для излучения части упомянутого корпуса, выполнена отражающей излучение источника.

4. Источник по п.3, отличающийся тем, что отражающая излучение источника часть внутренней поверхности упомянутого корпуса выполнена криволинейной с центром кривизны, расположенным со стороны, противоположной прозрачной для излучения части упомянутого корпуса, и имеет площадь, по меньшей мере двукратно превосходящую площадь проекции на нее первичного преобразователя энергии.

5. Источник по п.1, отличающийся тем, что токоподводящие контакты первичного преобразователя энергии выполнены отражающими излучение источника.

6. Источник по п.1, отличающийся тем, что поверхность первичного преобразователя энергии выполнена отражающей излучение источника.

7. Источник по п.1, отличающийся тем, что первичный преобразователь энергии имеет вытянутую форму, причем его длинная сторона ориентирована в направлении прозрачной части упомянутого корпуса.