eng
Выпуск #2/2015
Б. Матвеев
Сюрпризы средневолновых ИК-светодиодов на основе гетероструктур А3В5
Сюрпризы средневолновых ИК-светодиодов на основе гетероструктур А3В5
Просмотры: 5968
В статье рассмотрены специфические свойства средневолновых СД, отсутствующие у "обычных" СД видимого диапазона, например, такие как отрицательная люминесценция и термоэлектрическое возбуждение. Проведен анализ подобных свойств применительно к приборостроению.
В
последнее время наметилась тенденция преодоления "водобоязни", вызванной недопониманием специфических особенностей средневолновых ИК-светодиодов, и все больше и больше компаний заявляют о начале производства "светодиодных" газоанализаторов (ГА). Вместе с тем, для определенной части разработчиков-прибористов такие СД по-прежнему представляются некой "экзотикой", требующей дополнительных разъяснений. В предлагаемой статье мы попытаемся представить некоторые из таких разъяснений, а также рассмотрим новые свойства средневолновых СД, открытые лишь недавно.
Обычно первое удивление у разработчиков, впервые изучающих спецификации, полученные от производителей СД, вызывает непривычно большие значения полуширины спектров электролюминесценции (ЭЛ), составляющие в зависимости от длины волны от 0,3 до 0,7 мкм. Для оптических недисперсионных (англ. термин – NDIR) ГА такой широкий спектр излучения создает проблемы из-за перекрестной чувствительности, поскольку на величину светового потока, прошедшего через анализируемую смесь, влияет поглощение одновременно нескольких газов. Например, при измерении концентрации угарного газа (аналитическая длина волны 4,7 мкм) с помощью измерения ослабления излучения от светодиода с длиной волны в максимуме 4,7 мкм при его прохождении через газ весьма существенным оказывается поглощение на длине волны 4,3 мкм, обусловленное присутствием на оптическом пути атмосферного углекислого газа (концентрация 0,03% об.) [1]. Принято считать, что ширина спектра СД составляет величину, равную 1,8 kT (k-постоянная Больцмана, T- температура), поэтому задача сужения спектра может быть решена за счет охлаждения СД. Однако использование охладителей с большой долей вероятности не принесет разработчикам и конечным пользователям оптимизма, поскольку при использовании охлаждающих систем нивелируются основные преимущества СД – их малое энергопотребление и габариты. Для устранения перекрестного влияния СО и СО2 на показания ГА используют "спектральные" ухищрения, такие как применение узкополосных интерференционных фильтров (обычно ∆λ = 50–100 нм), резонаторов Фабри-Перо, модовая структура которых повторяет спектр одного из газов [2], или фильтров "негативной фильтрации", состоящих из кюветы с одним из газов с высокой концентрацией [1]. Разумеется, перечисленные приемы применимы лишь к однокомпонентным ГА; для многокомпонентного же анализа в условиях неподвижных частей ГА наиболее удобно использование дифракционной решетки. В этом случае большая ширина спектра ЭЛ есть положительное свойство, позволяющее создавать большое количество спектральных каналов измерений [3].
Следующим сюрпризом может быть то, что согласно публикациям некоторых авторов, коэффициент преобразования, т. е. количество выделяемой в единицу времени световой энергии, в импульсном режиме значительно превосходит коэффициент преобразования для непрерывного или квазинепрерывного (т. е. со скважностью 2) режимов. Расхождение значений непрерывной и импульсной мощности ЭЛ, достигающее при одном и том же значении тока до нескольких раз, эти авторы объясняют разогревом активной области СД при прохождении тока. Действительно, СД с неоптимальным дизайном (как правило, это – СД с точечным верхним контактом и удаленным от держателя p-n – переходом) подвержены сильному разогреву p-n – перехода в процессе работы, что действительно вызывает уменьшение коэффициента преобразования [4]. Однако сильный разогрев СД имеет следствием также заметное изменение ширины запрещенной зоны и, естественно, длины волны максимума ЭЛ. Тем не менее, такие изменения или различия спектров при импульсном и непрерывном режимах этими авторами зафиксированы не были.
В других типах СД с хорошим теплосъемом и выводом излучения через прозрачную подложку спектры ЭЛ (λmax = 3,3 мкм) не зависели от тока в пределах от 0,01 до 500 мА [5], что соответствовало представлениям о несущественном джоулевом разогреве таких СД и об идентичности "непрерывной" и импульсной мощности, по крайней мере в области малых токов. Для оценки влияния температуры на положение максимума излучения СД можно воспользоваться, например, спецификациями для СД типа LED42Sr, излучающего на длине волны 4,2 мкм при 300К [6]. Двукратному уменьшению мощности такого СД соответствует возрастание его температуры (точнее – температуры окружающей среды) с 25 до 90°С, при этом длина волны максимума ЭЛ возрастает с 4,15 до 4,4 мкм. Отсюда понятно, что не заметить в эксперименте столь сильное изменение максимума спектра ЭЛ невозможно. Простой вывод из рассмотрения приведенных выше примеров состоит в том, что при выборе компонентов для ГА нужно внимательно изучить и проанализировать все заявленные производителем параметры, включая температурные зависимости спектров и мощности ЭЛ в непрерывном и импульсном режимах. Естественно, что большее доверие вызывают СД, для которых приведены данные с совпадением импульсной и непрерывной мощности ЭЛ, по крайней мере в области малых токов.
Для высокоточных ГА даже небольшие (и часто неизбежные) температурные изменения длины волны ЭЛ вызывают серьезную озабоченность разработчиков. Вместе с тем, в иммерсионных СД флип-чип конструкции такое изменение не имеет гистерезиса и воспроизводится при многократном термоциклировании, поэтому его можно учесть в аналитическом выражении для передаточной функции ГА и получить высокую точность измерений. Такой подход позволил достичь предела обнаружения в 50–100 ppm при объеме анализируемого газа (CO2, C2H4 или СО) менее 10 мл и времени усреднения в несколько секунд, что удовлетворяет требованиям большинства задач для портативных ГА [2].
Термин "отрицательная" применительно к физическому явлению не всегда несет в себе оттенок бесполезности или ненужности для технических приложений. В данном контексте отрицательная люминесценция (ОЛ) означает лишь то, что основной поток (неравновесных) фотонов направлен не в сторону наблюдателя, а от него. Такая ситуация впервые была обнаружена при исследовании рекомбинационного излучения в антимониде индия и впоследствии воспроизведена во многих диодных структурах на основе CdHgTe, InAsSb, InAs и более сложных материалах – сверхрешетках, имеющих малые токи утечек [7]. Для инициации ОЛ достаточно сместить СД в обратном направлении, и СД начнет поглощать фотоны больше, чем излучать их во вне в пределах своего спектра поглощения. В качестве примера на рисунке 1 показано распределение интенсивности люминесцентного излучения при одновременном подключении всех элементов монолитной матрицы 3 × 3 с активным слоем из InAs (λmax = 3,4 мкм, 300К) к внешнему источнику питания [8]. В данном эксперименте диодные элементы были объединены в две группы, состоящие из четырех и пяти элементов соответственно, как показано на вставках к рисунку. На правой вставке показано ИК-изображение поверхности матрицы, полученное при постоянном токе ≈ –25 мкА в каждом из четырех недиагональных элементов, работающих в режиме ОЛ, т. е. в режиме пониженной по сравнению с равновесным фоном излучательной способности (темные квадраты), и токе ≈20 мкА в каждом из диагональных и центральном элементах, работающих в режиме ЭЛ (светлые квадраты, повышенная по сравнению с фоном яркость излучения). В другом эксперименте (см. левую вставку) четыре диагональных и центральный элементы матрицы работали в режиме ОЛ (Ipixel ≈ –20 мкА), а четыре оставшихся – в режиме ЭЛ (Ipixel ≈ 25 мкА). Амплитуда общего тока в обоих случаях формирования ИК-изображения типа "доска для крестиков-ноликов" составляла 100 мкА.
Из данных на рисунке следует, что при токах, близких к 100 мкА, интенсивности ОЛ и ЭЛ практически совпадали, а при больших токах имела место слабая зависимость интенсивности ОЛ от тока – хорошо известная особенность приборов ОЛ, вызванная почти полной экстракцией носителей из активной области СД [9, 10].
Помимо использования ОЛ для создания "холодных" экранов в охлаждаемых фотоприемных системах на основе матриц большого формата, тестирования таких матриц [8, 9] и получения суммарного, "температурно-независимого" оптического сигнала [10] ОЛ важна и для исследований и прогнозирования параметров фотодиодов (ФД), имеющих один из контактов на облучаемой поверхности полупроводника с высоким значением объемного сопротивления. Так, например, изучение пространственного распределения ОЛ в ФД на основе InAsSb выявило сгущение фототока вблизи от контакта и вскрыло основную причину их низкой токовой фоточувствительности – неполный сбор фотогенерированных носителей [11]. Эти исследования позволили по-новому взглянуть на конструирование средневолновых ФД [12] и создать высокоэффективные оптические газовые сенсоры, способные работать, в том числе, и при повышенных температурах [13].
Отличительной особенностью средневолновых СД является сублинейность их ватт-амперной характеристики даже при небольших значениях токов. Снижение эффектисвности при возрастании тока вызвано не только упомянутым выше нагревом СД во время его работы, но и более фундаментальными причинами – так называемой Оже-рекомбинацией, названной по имени открывателя основных механизмов безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей в узкозонных соединениях типа InAs. Скорость этой рекомбинации пропорциональна кубу концентрации инжектированных носителей, и поэтому разработчики и производители средневолновых СД предпочитают использовать достаточно толстые полупроводниковые слои, в которых носители заряда "размазываются" по всему объему активной области. В результате достигается относительно низкая концентрация инжектированных носителей и, соответственно, низкая скорость Оже-рекомбинации. Разумеется, при этом верхняя граница для толщины активной области выбирается исходя из возможности вывода излучения из этой области с учетом самопоглощения излучения. В результате оптимальная толщина АО СД часто оказывается сопоставимой с оптимальной толщиной АО в ФД. Другими словами, эффективный средневолновый СД нередко оказывается одновременно и эффективным ФД. Это обстоятельство было учтено при выборе единого дизайна многих средневолновых СД и ФД с широким отражающим анодом [4–8]. В результате были существенно снижены затраты на производство, поскольку одни и те же постростовые операции и оснастка применимы и к ФД, и к СД, включая, например, шаблоны для фотолитографии. Описанная "дуальность" свойств средневолновых диодов может оказаться полезной также и при проектировании ГА. Так, например, в [14] при фотометрических измерениях, включая газовый анализ, было предложено поочередно использовать один и тот же диод то в качестве приемника, то в качестве источника излучения. Подобная "хитрость" будет особенно полезна для анализаторов с большим числом оптически связанных СД и ФД [15], поскольку существенно увеличивает число полезных сигналов, которые можно использовать для самокалибровки ГА при соответствующей математической обработке оцифрованных сигналов – задачи, актуальной и поныне.
Но, пожалуй, самый приятный сюрприз средневолновых СД – это их способность работать в качестве теплового насоса при небольших смещениях p-n ‒ перехода. Аспиранты и сотрудники Массачусетского Технологического Института (США) установили, что произведенные компанией "ИоффеЛЕД" СД на основе p-n структур InGaAsSb с длиной волны вблизи 2 мкм, обладают способностью забирать часть тепловой энергии от кристаллической решетки и трансформировать ее в энергию фотонов [16]. В результате взаимодействия фононного и фотонной полей эффективность СД, определяемая как отношение выделившейся из СД в виде фотонов энергии к затраченной электрической энергии, оказывается существенно выше единицы (230%, 135°С). К сожалению, при температурах, близких к комнатным, "супервысокий" КПД имеет место быть только в области малых токов, меньших, чем несколько пикоампер [17]. Для реализации измерительного прибора, использующего столь низкие токи питания СД, потребуются ФД с предельно низкими собственными шумами, например ФД, охлажденные до температур, близких к 77К [18]. Это заставляет считать применение эффекта теплового насоса в практических целях, например в недорогих портативных "светодиодных" ГА, пока преждевременным. Так что остается надеятьсяь на усердие и целеустремленность аспирантов, вдохновленных красотой нового физического явления и готовых "добывать", а потом защищать и применять на практике новые научные положения по специальности 01.04.10 – физика полупроводников.
Автор выражает благодарность сотрудникам группы диодных оптопар лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН за полезные советы при подготовке статьи.
Литература
Sotnikova G.Y., Aleksandrov S. E. and GavrilovG. A. Performance analysis of diode optopair gas sensors. – Proc. of SPIE ,v. 7356, p. 7356–69 2009
Meneses J., Briz S., A.J. de Castro, J. Melendez and Lopez F . A new method for imaging of carbon dioxide in combustion environment. – Rev.Sci.Instrum. , 1997, 68 (6), p.2568–2573/
Авт.свид. 1672814 СССР. Газоанализатор / Матвеев Б. А., Стусь Н. М., Талалакин Г. Н. и др.
Зотова Н. В., Ильинская Н. Д., Карандашев С.А. и др. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор). – ФТП, 2008, т. 42, № 6, c. 641–657.
Matveev B. A. LED-Photodiode Opto-pairs. – Mid-IR-Semiconductor Optoelectronics.‒ Springer Series in OPTICAL SCIENCE, ISSN 0342–4111, 2006, p. 395–428.
http://www.mirdog.spb.ru/Specifications/2013/LED42.pdf
Иванов-Омский В.И., Матвеев Б. А. Отрицательная люминесценция и приборы на ее основе (обзор). – ФТП, 2007, т. 41, № 3, c. 257–268.
Ильинская Н.Д. , Карандашев С. А. , Карпухина Н. Г. и др. Диодные матрицы формата 3x3 на основе одиночных гетeроструктур р-InAsSbP/n-InAs. – Прикладная физика, 2014, № 6, с. 47–51.
Ashley T. , Elliott C. T. , Gordon N. T. et al. Applications of negative luminescence. – Infrared Physics & Technology, 1997, v. 38, Issue 3, p. 145–151.
Ashley T. "Negative Luminescence" in Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics.‒ Springer Series in OPTICAL SCIENCE, ISSN 0342–4111, p. 453–485, 2006.
Карандашев С.А. , Матвеев Б. А. , Ратушный В. И. и др. Вольт-амперные характеристики и сбор фототока в радиально симметричных поверхностно облучаемых фотодиодах на основе InAsSb (P). – Журнал технической физики, 2014, т. 84, вып. 11, с. 52–57.
Патент 2521156 РФ. Полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения / Б. А.Матвеев
Матвеев Б. А., Ратушный В. И., Рыбальченко А. Ю., Сотникова Г. Ю. Высокотемпературные датчики углекислого газа для систем безопасности в энергетике на основе поверхностно облучаемых фотодиодов на основе InAsSb. – Глобальная ядерная безопасность, 2011, №1 (1), с. 110–116.
Александров С. Е., Гаврилов Г. А., Матвеев Б. А. и др. Фотометр, Заявка на изобретение № 2013109254 от 01.03.2013
Patent 6995360 US. Method and Sensor for monitoring gas in a downhole environment/ Jones T.G.J. , Matveev B. , Vanshteyn V. et al.
Parthiban Santhanam, Dodd Joseph Gray, Jr., and Rajeev J. Ram, Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency. – Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.097403)
Santhanam P., Huang D., Ram R. J. et al. Room Temperature Thermo-Electric Pumping in mid-Infrared Light-Emitting Diodes. – Appl. Phys. Lett., 2013, v.103 (19), p.183513; doi: 10.1063/1.4828566
последнее время наметилась тенденция преодоления "водобоязни", вызванной недопониманием специфических особенностей средневолновых ИК-светодиодов, и все больше и больше компаний заявляют о начале производства "светодиодных" газоанализаторов (ГА). Вместе с тем, для определенной части разработчиков-прибористов такие СД по-прежнему представляются некой "экзотикой", требующей дополнительных разъяснений. В предлагаемой статье мы попытаемся представить некоторые из таких разъяснений, а также рассмотрим новые свойства средневолновых СД, открытые лишь недавно.
Обычно первое удивление у разработчиков, впервые изучающих спецификации, полученные от производителей СД, вызывает непривычно большие значения полуширины спектров электролюминесценции (ЭЛ), составляющие в зависимости от длины волны от 0,3 до 0,7 мкм. Для оптических недисперсионных (англ. термин – NDIR) ГА такой широкий спектр излучения создает проблемы из-за перекрестной чувствительности, поскольку на величину светового потока, прошедшего через анализируемую смесь, влияет поглощение одновременно нескольких газов. Например, при измерении концентрации угарного газа (аналитическая длина волны 4,7 мкм) с помощью измерения ослабления излучения от светодиода с длиной волны в максимуме 4,7 мкм при его прохождении через газ весьма существенным оказывается поглощение на длине волны 4,3 мкм, обусловленное присутствием на оптическом пути атмосферного углекислого газа (концентрация 0,03% об.) [1]. Принято считать, что ширина спектра СД составляет величину, равную 1,8 kT (k-постоянная Больцмана, T- температура), поэтому задача сужения спектра может быть решена за счет охлаждения СД. Однако использование охладителей с большой долей вероятности не принесет разработчикам и конечным пользователям оптимизма, поскольку при использовании охлаждающих систем нивелируются основные преимущества СД – их малое энергопотребление и габариты. Для устранения перекрестного влияния СО и СО2 на показания ГА используют "спектральные" ухищрения, такие как применение узкополосных интерференционных фильтров (обычно ∆λ = 50–100 нм), резонаторов Фабри-Перо, модовая структура которых повторяет спектр одного из газов [2], или фильтров "негативной фильтрации", состоящих из кюветы с одним из газов с высокой концентрацией [1]. Разумеется, перечисленные приемы применимы лишь к однокомпонентным ГА; для многокомпонентного же анализа в условиях неподвижных частей ГА наиболее удобно использование дифракционной решетки. В этом случае большая ширина спектра ЭЛ есть положительное свойство, позволяющее создавать большое количество спектральных каналов измерений [3].
Следующим сюрпризом может быть то, что согласно публикациям некоторых авторов, коэффициент преобразования, т. е. количество выделяемой в единицу времени световой энергии, в импульсном режиме значительно превосходит коэффициент преобразования для непрерывного или квазинепрерывного (т. е. со скважностью 2) режимов. Расхождение значений непрерывной и импульсной мощности ЭЛ, достигающее при одном и том же значении тока до нескольких раз, эти авторы объясняют разогревом активной области СД при прохождении тока. Действительно, СД с неоптимальным дизайном (как правило, это – СД с точечным верхним контактом и удаленным от держателя p-n – переходом) подвержены сильному разогреву p-n – перехода в процессе работы, что действительно вызывает уменьшение коэффициента преобразования [4]. Однако сильный разогрев СД имеет следствием также заметное изменение ширины запрещенной зоны и, естественно, длины волны максимума ЭЛ. Тем не менее, такие изменения или различия спектров при импульсном и непрерывном режимах этими авторами зафиксированы не были.
В других типах СД с хорошим теплосъемом и выводом излучения через прозрачную подложку спектры ЭЛ (λmax = 3,3 мкм) не зависели от тока в пределах от 0,01 до 500 мА [5], что соответствовало представлениям о несущественном джоулевом разогреве таких СД и об идентичности "непрерывной" и импульсной мощности, по крайней мере в области малых токов. Для оценки влияния температуры на положение максимума излучения СД можно воспользоваться, например, спецификациями для СД типа LED42Sr, излучающего на длине волны 4,2 мкм при 300К [6]. Двукратному уменьшению мощности такого СД соответствует возрастание его температуры (точнее – температуры окружающей среды) с 25 до 90°С, при этом длина волны максимума ЭЛ возрастает с 4,15 до 4,4 мкм. Отсюда понятно, что не заметить в эксперименте столь сильное изменение максимума спектра ЭЛ невозможно. Простой вывод из рассмотрения приведенных выше примеров состоит в том, что при выборе компонентов для ГА нужно внимательно изучить и проанализировать все заявленные производителем параметры, включая температурные зависимости спектров и мощности ЭЛ в непрерывном и импульсном режимах. Естественно, что большее доверие вызывают СД, для которых приведены данные с совпадением импульсной и непрерывной мощности ЭЛ, по крайней мере в области малых токов.
Для высокоточных ГА даже небольшие (и часто неизбежные) температурные изменения длины волны ЭЛ вызывают серьезную озабоченность разработчиков. Вместе с тем, в иммерсионных СД флип-чип конструкции такое изменение не имеет гистерезиса и воспроизводится при многократном термоциклировании, поэтому его можно учесть в аналитическом выражении для передаточной функции ГА и получить высокую точность измерений. Такой подход позволил достичь предела обнаружения в 50–100 ppm при объеме анализируемого газа (CO2, C2H4 или СО) менее 10 мл и времени усреднения в несколько секунд, что удовлетворяет требованиям большинства задач для портативных ГА [2].
Термин "отрицательная" применительно к физическому явлению не всегда несет в себе оттенок бесполезности или ненужности для технических приложений. В данном контексте отрицательная люминесценция (ОЛ) означает лишь то, что основной поток (неравновесных) фотонов направлен не в сторону наблюдателя, а от него. Такая ситуация впервые была обнаружена при исследовании рекомбинационного излучения в антимониде индия и впоследствии воспроизведена во многих диодных структурах на основе CdHgTe, InAsSb, InAs и более сложных материалах – сверхрешетках, имеющих малые токи утечек [7]. Для инициации ОЛ достаточно сместить СД в обратном направлении, и СД начнет поглощать фотоны больше, чем излучать их во вне в пределах своего спектра поглощения. В качестве примера на рисунке 1 показано распределение интенсивности люминесцентного излучения при одновременном подключении всех элементов монолитной матрицы 3 × 3 с активным слоем из InAs (λmax = 3,4 мкм, 300К) к внешнему источнику питания [8]. В данном эксперименте диодные элементы были объединены в две группы, состоящие из четырех и пяти элементов соответственно, как показано на вставках к рисунку. На правой вставке показано ИК-изображение поверхности матрицы, полученное при постоянном токе ≈ –25 мкА в каждом из четырех недиагональных элементов, работающих в режиме ОЛ, т. е. в режиме пониженной по сравнению с равновесным фоном излучательной способности (темные квадраты), и токе ≈20 мкА в каждом из диагональных и центральном элементах, работающих в режиме ЭЛ (светлые квадраты, повышенная по сравнению с фоном яркость излучения). В другом эксперименте (см. левую вставку) четыре диагональных и центральный элементы матрицы работали в режиме ОЛ (Ipixel ≈ –20 мкА), а четыре оставшихся – в режиме ЭЛ (Ipixel ≈ 25 мкА). Амплитуда общего тока в обоих случаях формирования ИК-изображения типа "доска для крестиков-ноликов" составляла 100 мкА.
Из данных на рисунке следует, что при токах, близких к 100 мкА, интенсивности ОЛ и ЭЛ практически совпадали, а при больших токах имела место слабая зависимость интенсивности ОЛ от тока – хорошо известная особенность приборов ОЛ, вызванная почти полной экстракцией носителей из активной области СД [9, 10].
Помимо использования ОЛ для создания "холодных" экранов в охлаждаемых фотоприемных системах на основе матриц большого формата, тестирования таких матриц [8, 9] и получения суммарного, "температурно-независимого" оптического сигнала [10] ОЛ важна и для исследований и прогнозирования параметров фотодиодов (ФД), имеющих один из контактов на облучаемой поверхности полупроводника с высоким значением объемного сопротивления. Так, например, изучение пространственного распределения ОЛ в ФД на основе InAsSb выявило сгущение фототока вблизи от контакта и вскрыло основную причину их низкой токовой фоточувствительности – неполный сбор фотогенерированных носителей [11]. Эти исследования позволили по-новому взглянуть на конструирование средневолновых ФД [12] и создать высокоэффективные оптические газовые сенсоры, способные работать, в том числе, и при повышенных температурах [13].
Отличительной особенностью средневолновых СД является сублинейность их ватт-амперной характеристики даже при небольших значениях токов. Снижение эффектисвности при возрастании тока вызвано не только упомянутым выше нагревом СД во время его работы, но и более фундаментальными причинами – так называемой Оже-рекомбинацией, названной по имени открывателя основных механизмов безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей в узкозонных соединениях типа InAs. Скорость этой рекомбинации пропорциональна кубу концентрации инжектированных носителей, и поэтому разработчики и производители средневолновых СД предпочитают использовать достаточно толстые полупроводниковые слои, в которых носители заряда "размазываются" по всему объему активной области. В результате достигается относительно низкая концентрация инжектированных носителей и, соответственно, низкая скорость Оже-рекомбинации. Разумеется, при этом верхняя граница для толщины активной области выбирается исходя из возможности вывода излучения из этой области с учетом самопоглощения излучения. В результате оптимальная толщина АО СД часто оказывается сопоставимой с оптимальной толщиной АО в ФД. Другими словами, эффективный средневолновый СД нередко оказывается одновременно и эффективным ФД. Это обстоятельство было учтено при выборе единого дизайна многих средневолновых СД и ФД с широким отражающим анодом [4–8]. В результате были существенно снижены затраты на производство, поскольку одни и те же постростовые операции и оснастка применимы и к ФД, и к СД, включая, например, шаблоны для фотолитографии. Описанная "дуальность" свойств средневолновых диодов может оказаться полезной также и при проектировании ГА. Так, например, в [14] при фотометрических измерениях, включая газовый анализ, было предложено поочередно использовать один и тот же диод то в качестве приемника, то в качестве источника излучения. Подобная "хитрость" будет особенно полезна для анализаторов с большим числом оптически связанных СД и ФД [15], поскольку существенно увеличивает число полезных сигналов, которые можно использовать для самокалибровки ГА при соответствующей математической обработке оцифрованных сигналов – задачи, актуальной и поныне.
Но, пожалуй, самый приятный сюрприз средневолновых СД – это их способность работать в качестве теплового насоса при небольших смещениях p-n ‒ перехода. Аспиранты и сотрудники Массачусетского Технологического Института (США) установили, что произведенные компанией "ИоффеЛЕД" СД на основе p-n структур InGaAsSb с длиной волны вблизи 2 мкм, обладают способностью забирать часть тепловой энергии от кристаллической решетки и трансформировать ее в энергию фотонов [16]. В результате взаимодействия фононного и фотонной полей эффективность СД, определяемая как отношение выделившейся из СД в виде фотонов энергии к затраченной электрической энергии, оказывается существенно выше единицы (230%, 135°С). К сожалению, при температурах, близких к комнатным, "супервысокий" КПД имеет место быть только в области малых токов, меньших, чем несколько пикоампер [17]. Для реализации измерительного прибора, использующего столь низкие токи питания СД, потребуются ФД с предельно низкими собственными шумами, например ФД, охлажденные до температур, близких к 77К [18]. Это заставляет считать применение эффекта теплового насоса в практических целях, например в недорогих портативных "светодиодных" ГА, пока преждевременным. Так что остается надеятьсяь на усердие и целеустремленность аспирантов, вдохновленных красотой нового физического явления и готовых "добывать", а потом защищать и применять на практике новые научные положения по специальности 01.04.10 – физика полупроводников.
Автор выражает благодарность сотрудникам группы диодных оптопар лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН за полезные советы при подготовке статьи.
Литература
Sotnikova G.Y., Aleksandrov S. E. and GavrilovG. A. Performance analysis of diode optopair gas sensors. – Proc. of SPIE ,v. 7356, p. 7356–69 2009
Meneses J., Briz S., A.J. de Castro, J. Melendez and Lopez F . A new method for imaging of carbon dioxide in combustion environment. – Rev.Sci.Instrum. , 1997, 68 (6), p.2568–2573/
Авт.свид. 1672814 СССР. Газоанализатор / Матвеев Б. А., Стусь Н. М., Талалакин Г. Н. и др.
Зотова Н. В., Ильинская Н. Д., Карандашев С.А. и др. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор). – ФТП, 2008, т. 42, № 6, c. 641–657.
Matveev B. A. LED-Photodiode Opto-pairs. – Mid-IR-Semiconductor Optoelectronics.‒ Springer Series in OPTICAL SCIENCE, ISSN 0342–4111, 2006, p. 395–428.
http://www.mirdog.spb.ru/Specifications/2013/LED42.pdf
Иванов-Омский В.И., Матвеев Б. А. Отрицательная люминесценция и приборы на ее основе (обзор). – ФТП, 2007, т. 41, № 3, c. 257–268.
Ильинская Н.Д. , Карандашев С. А. , Карпухина Н. Г. и др. Диодные матрицы формата 3x3 на основе одиночных гетeроструктур р-InAsSbP/n-InAs. – Прикладная физика, 2014, № 6, с. 47–51.
Ashley T. , Elliott C. T. , Gordon N. T. et al. Applications of negative luminescence. – Infrared Physics & Technology, 1997, v. 38, Issue 3, p. 145–151.
Ashley T. "Negative Luminescence" in Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics.‒ Springer Series in OPTICAL SCIENCE, ISSN 0342–4111, p. 453–485, 2006.
Карандашев С.А. , Матвеев Б. А. , Ратушный В. И. и др. Вольт-амперные характеристики и сбор фототока в радиально симметричных поверхностно облучаемых фотодиодах на основе InAsSb (P). – Журнал технической физики, 2014, т. 84, вып. 11, с. 52–57.
Патент 2521156 РФ. Полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения / Б. А.Матвеев
Матвеев Б. А., Ратушный В. И., Рыбальченко А. Ю., Сотникова Г. Ю. Высокотемпературные датчики углекислого газа для систем безопасности в энергетике на основе поверхностно облучаемых фотодиодов на основе InAsSb. – Глобальная ядерная безопасность, 2011, №1 (1), с. 110–116.
Александров С. Е., Гаврилов Г. А., Матвеев Б. А. и др. Фотометр, Заявка на изобретение № 2013109254 от 01.03.2013
Patent 6995360 US. Method and Sensor for monitoring gas in a downhole environment/ Jones T.G.J. , Matveev B. , Vanshteyn V. et al.
Parthiban Santhanam, Dodd Joseph Gray, Jr., and Rajeev J. Ram, Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency. – Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.097403)
Santhanam P., Huang D., Ram R. J. et al. Room Temperature Thermo-Electric Pumping in mid-Infrared Light-Emitting Diodes. – Appl. Phys. Lett., 2013, v.103 (19), p.183513; doi: 10.1063/1.4828566
Отзывы читателей
