инфракрасный полупроводниковый излучатель

Формула изобретения

1. Инфракрасный полупроводниковый излучатель, состоящий из источника электромагнитного излучения с длиной волны 0,8-1,5 мкм и многослойной структуры, нанесенной на подложку из материала, прозрачного для указанного излучения, осуществляющей преобразование этого излучения в более длинноволновое инфракрасное излучение, отличающийся тем, что в качестве источника электромагнитного излучения используется светодиод или полупроводниковый микролазер, а многослойная структура, преобразующая его излучение в излучение в области 2-5 мкм, состоит из слоев полупроводника, имеющих различную ширину запрещенной зоны в пределах 0,2-0,6 эВ, расположенных последовательно, начиная с первого, с шириной запрещенной зоны от E₁ до Е_n, в порядке возрастания E₁<E₂<. . . <E_n, где n целое число от 2 до 20, толщиной от 100 до , причем слои полупроводника отделены друг от друга пленкой окисла толщиной от 50 до .

2. Инфракрасный полупроводниковый излучатель по п.1, отличающийся тем, что для увеличения выходной мощности и стабильности полупроводникового излучателя на последний слой окисла наносится иммерсионный слой.

3. Инфракрасный полупроводниковый излучатель по п.2, отличающийся тем, что полупроводниковая излучающая структура соединяется с помощью иммерсионной прослойки с прозрачной в области спектра 2-5 мкм пластиной, на которой сформирован интерференционный фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к источникам инфракрасного излучения, излучающих в среднем инфракрасном диапазоне от 2 до 5 мкм, предназначенных, в основном, для использования в анализаторах газовых и жидких сред, оптических линиях связи, измерительной технике, медицине.

Газовые анализаторы представляют собой самостоятельную область измерительной техники, в которой широко используется метод недисперсионного газового анализа. По принципу действия недисперсионный газовый анализ основывается на измерении поглощения молекулами анализируемого вещества электромагнитного излучения от постороннего источника. Наибольший интерес в практическом отношении представляет средняя инфракрасная область 2-5 мкм, в которой сосредоточены полосы поглощения основных загрязнителей, определенных Стокгольмской конференцией ООН по окружающей среде от 1972 года. К ним, в первую очередь, относятся H₂S (=2,6 мкм), HNO₃ (=2,8 мкм), NO₂ (=3,4 мкм), CnHm (=3,3-3,4 мкм), SO₂ (= 4,05 мкм), СО₂ (=4,26 мкм), СО (=4,7 мкм). При этом к источнику электромагнитного излучения, используемому для целей недисперсионного газового анализа, предъявляется ряд требований:

1. Длина волны инфракрасного источника электромагнитного излучения должна быть легко настраиваема на полосу поглощения вещества в пределах 2-5 мкм;

2. Иметь достаточную выходную мощность для уверенной регистрации фотоприемным устройством;

3. Принципиальное требование - возможность работы при положительных температурах как минимум до +40...+50^oС;

4. Долговременная и температурная стабильность интенсивности излучения инфракрасного источника должна быть не менее 10^-5 для обеспечения чувствительности обнаружения соответствующих загрязнителей на уровне ПДК (предельно допустимых концентраций) и не ниже 10^-3 при контроле промышленных выбросов. При дифференциальном методе определения концентрации загрязнителей стабильность соотношения измерительного и опорного спектральных каналов должна быть не хуже 10^-3...10^-5.

В подавляющем большинстве существующих конструкций газоанализаторов для обработки сигнала используются несколько спектральных полос источников света. Для получения достоверных характеристик газоанализаторов во времени и при изменении параметров внешней среды, в первую очередь температуры, используют в пределах спектра источника излучения как минимум две полосы, а именно опорную, находящуюся вне спектра поглощения анализируемой среды, и рабочую - в полосе анализируемого вещества. В ряде случаев с целью одновременного измерения концентрации нескольких анализируемых веществ требуется, чтобы спектр излучения источника света захватывал три и более анализируемых спектральных полосы.

В качестве источников излучения в ИК-спектрометрах используются три основных типа приборов: тепловые источники света, полупроводниковые светодиоды, а также лазеры.

Известен регулируемый тепловой инфракрасный источник, содержащий платиновый резистивный детектор температуры, интегрированный с нагревательным элементом и осуществляющий непрерывную подстройку температуры нагревателя (US pat. 5247185, опубл. 21.09.93).

Данный инфракрасный источник, как любой тепловой источник ИК-излучения, имеет достаточно широкую спектральную характеристику, включающую область 2-5 мкм. Однако его недостатками являются низкое быстродействие при импульсном режиме питания, сравнительно высокие температуры излучающего элемента, сложность конструкции, повышенное энергопотребление, ограниченный ресурс работы - все это существенно ограничивает, а часто полностью исключает применение таких источников в промышленных и бытовых газоанализаторах.

Наиболее перспективными инфракрасными источниками излучения для вышеуказанных целей являются полупроводниковые микролазеры и светодиоды. Их основными преимуществами, по сравнению с другими источниками, используемыми в рассматриваемой области спектра, являются малые размеры и энергопотребление, высокое быстродействие 10^-6-10^-9 с, позволяющее их использовать в электронных схемах с быстродействующими микропроцессорами, более высокий коэффициент преобразования электрической мощности в полезный световой сигнал.

Среди большого разнообразия конструкций полупроводниковых инфракрасных светодиодов и лазеров можно выделить два основных класса таких приборов: инжекционные и с оптической накачкой.

Существенным недостатком большинства инжекционных светодиодов и лазеров (см. , например, US pat. 5625635 29.04.1997, US pat. 5995529 30.11.1999), ограничивающих их использование, является нестабильность их выходных параметров во времени и зависимость спектра излучения источника от температуры. Нестабильность характеристик во времени, особенно при повышенных температурах эксплуатации, связана с протеканием достаточно больших токов через активную область светодиодных и лазерных структур. Известно, что это свойство усугубляется с использованием все более узкозонных материалов. Описанные в патентах структуры были получены по MOCVD и МВЕ технологии на основе полупроводниковых материалов InAsSb/InAsP; InAsSb/InAs; GaInSb. Реальные толщины активных слоев рассматриваемых структур могут составлять до десятков нанометров. При таких незначительных толщинах слоев при одновременном воздействии повышенных температур 300-350 К и достаточно больших плотностях тока, протекающих через структуру, становится весьма вероятной временная деградация параметров таких излучателей, в том числе связанная с возможной диффузией отдельных химических элементов из одного слоя в другой. Можно предположить, что именно из-за этого не приводятся данные о характеристиках таких излучателей при температурах более 300 К.

В описании указанных патентов приводятся сведения, что мощность полученных инжекционных светодиодов вблизи 4 мкм составляет не более 80 мкВт при токе 200 мА при 300 К.

Инфракрасные источники излучения с оптической накачкой представляются наиболее перспективными для среднего инфракрасного диапазона вследствие их повышенной стабильности во времени и по отношению к повышенным температурам окружающей среды вследствие того, что в этом случае не происходит протекания тока через активную область излучающей структуры.

В описании упомянутых ранее патентов (US pat. 5625635 29.04.1997, US pat. 5995529, 30.11.1999) рассматривается способ оптической накачки с помощью Nd:YAG лазера, излучающего на длине волны 1,06 мкм, который позволяет получить заметное для измерений излучение вблизи 3,7 мкм при температуре до 240 К. Однако такой способ оптической накачки является трудоемким, громоздким, энергоемким и при реализации конкретных конструкций источника требует применения охлаждающих устройств. Все это резко снижает практическое использование полученного эффекта.

Кроме того, из описания патента не следует, что в пределах одной конструкции излучателя можно получать более одной лазерной линии излучения, а также не содержится сведений, что можно управлять шириной оптического спектра излучения светодиодов в более широких пределах, чем это определяется спектром излучения полупроводникового материала определенного состава.

В качестве наиболее близкого аналога выбран патент RU 2047935 С1, опубл. 10.11.95, в котором описан полупроводниковый лазер с оптической накачкой, основным элементом конструкции которого является полупроводниковый источник электромагнитного излучения в виде светодиода, выполняющего функцию элемента оптической накачки, который в едином твердотельном исполнении сочленен с многослойной гетероструктурой преобразователя, превращающего коротковолновое излучения светодиода накачки в более длинноволновое лазерное излучение. В гетероструктуре размещено, по крайней мере, одно зеркало, имеющее максимальный коэффициент отражения в диапазоне длин волн излучения светодиода накачки и состоящее из последовательности интерференционных слоев, расположенных параллельно другим слоям гетероструктуры. При накачке лазерной структуры излучением с длиной волны 0,82 мкм возникает излучение с длиной волны 0,92 и 0,93 мкм. Однако из описания не следует понимание того, за счет какого механизма на основе одного и того же состава полупроводникового материала InGaAs с одной и той же шириной запрещенной зоны в активных слоях генерируются две длины волны излучения. Из описания также не следует ответ на вопрос, существует ли технологическая возможность получения двух и более лазерных линий излучения в спектральном диапазоне 2-5 мкм. Известно, что на более узкозонных материалах, используемых в спектральном диапазоне 2-5 мкм, получение такого результата, тем более при температурах 300-350 К, представляется более чем проблематичным и на сегодняшний день такие данные авторам неизвестны. Необходимо отметить, что вышеупомянутые линии излучения даже на длинах волн 0,92 и 0,93 мкм получены при температуре 210 К. Помимо этого узкая спектральная полоса лазерного излучения в ряде случаев ограничивает область применения таких источников для целей газового анализа, т.к. во многих случаях требуется перекрытие одним источником излучения достаточно широкой области спектра.

Кроме того, можно предположить, что существенным недостатком рассматриваемого технического решения является достаточно сильная зависимость спектрального положения линии излучения от температуры. Эта зависимость становится еще более существенной из-за того, что накачивающий светодиод расположен в рамках единой твердотельной конструкции в непосредственной близости от лазерной структуры и в момент импульса выделяющееся тепло непосредственно передается на активный переизлучающий элемент.

Целью изобретения является создание инфракрасного источника электромагнитного излучения с технологически управляемой формой спектра излучения в диапазоне 2-5 мкм с повышенной надежностью, температурной, временной стабильностью и увеличенным коэффициентом преобразования излучения накачки в электромагнитное излучение, находящееся в спектральном интервале 2-5 мкм, предназначенного для применения в анализаторах газовых и жидких сред, измерительной технике, в оптических линиях связи, медицине и некоторых других областях.

Поставленная цель достигается тем, что в известном источнике инфракрасного излучения - полупроводниковом лазере, содержащем многослойную полупроводниковую структуру в виде гетероструктуры со слоями, имеющими заданные толщины и ширины запрещенных зон, - а также полупроводниковый источник электромагнитной накачки, многослойная структура, нанесенная на подложку из материала, прозрачного для излучения накачки, выполнена из слоев полупроводника, имеющих различную ширину запрещенной зоны в пределах 0,2-0,6 эВ, расположенных последовательно начиная с первого с шириной запрещенной зоны от E₁ до Е_n, в порядке возрастания E₁ <......<Е_n, где n - целое число от 2 до 20, толщиной от 100 до , причем слои полупроводника отделены друг от друга пленкой окисла толщиной от 50 до .

Толщина полупроводниковых слоев выбирается исходя из свойств используемых полупроводниковых материалов и требований, предъявляемых к спектру и выходной мощности излучения инфракрасного источника.

В качестве источника электромагнитной накачки используется светодиод либо полупроводниковый микролазер с длиной волны излучения 0,8-1,5 мкм. Использование микролазера оправдано в тех случаях, когда необходимо получить максимально высокий коэффициент преобразования электрической мощности в световую энергию, а также когда требуется получить источник излучения, максимально приближенный к точечному (технологически достижимый размер области люминесценции для светодиодного источника накачки составляет 1 на 1 мм, а для лазерного 0,1 на 0,1). Это особенно важно при необходимости сопряжения инфракрасного источника излучения c элементами микрооптики. Следует отметить, что в данном случае не используется свойство когерентности лазерного излучения.

На фиг.1а схематически представлен разрез конструкции полупроводникового инфракрасного излучателя. Излучатель содержит полупроводниковый источник электромагнитного излучения 2 (GaAs светодиод) с длиной волны излучения 0,8-0,95 мкм, выполняющий функцию источника накачки, фотоприемник 1 служит для контроля мощности излучения светодиода накачки и может включаться в систему стабилизации мощности излучения накачки, что в свою очередь повышает стабильность интенсивности выходного инфракрасного излучения. Для увеличения выхода излучения накачки между источником электромагнитного излучения 2 и подложкой 4 вводится иммерсионная прослойка 3, выполненная из прозрачного для излучения накачки компаунда. Одновременно прослойка 3 исполняет роль теплоизолирующей среды, препятствующей передаче тепла от активной области накачивающего светодиода на основной излучающий элемент, что в свою очередь, увеличивает стабильность температурных характеристик мощности излучателя и его спектральной характеристики. На прозрачную для излучения накачки подложку 4, в данном случае из BaF₂, наносятся тонкие слои полупроводникового материала 5 с различной шириной запрещенной зоны и толщиной (фиг.1б). Между слоями 5 формируются слои окисла 6.

На фиг. 2 показан полупроводниковый инфракрасный излучатель, в котором для увеличения выхода инфракрасного излучения, стабильности и устойчивости к внешним факторам дополнительно наноситься иммерсионный слой 7 из материала с показателем преломления, промежуточным между показателем преломления полупроводникового материала и воздуха. Помимо определенного показателя преломления n такие материалы должны обладать влагозащитными и пассивирующими свойствами, а также прозрачностью в длинноволновой области излучения. В качестве такого материала может быть использовано, например, халькогенидное стекло состава As_0,10S_0,45Se_0,45. Применение иммерсионного слоя позволяет не только увеличить выход излучения на 15-30%, но также улучшить устойчивость и стабильность излучающих структур к внешним воздействиям. Для более глубокой защиты поверхности излучающего элемента (в случае, если излучающая структура не имеет дополнительной герметизации с помощью выходного окна), излучающая структура может соединяться с помощью иммерсионного слоя с защитной пластиной 8, прозрачной для длинноволнового излучения.

На фиг. 3 показан полупроводниковый инфракрасный излучатель, в конструкцию которого для выделения заданной полосы излучения введен узкополосный интерференционный фильтр 9, нанесенный на подложку 10, прозрачную для длинноволнового излучения (например, сапфир или кремний). Подложка с нанесенным интерференционным фильтром соединяется с излучающей структурой с помощью иммерсионного слоя 7.

Для тонкопленочных полупроводниковых структур, особенно на основе узкозонных полупроводников, очень важными являются вопросы герметизации и состава атмосферы внутри корпуса прибора. Нарушение герметичности или изменение состава атмосферы фактически всегда приводят к временной нестабильности и деградации полупроводниковых приборов. Предлагаемая в данном изобретении планарная конструкция за счет использования защитного иммерсионного слоя и защитной пластины или интерференционного фильтра не требует дополнительной герметизации и при этом обладает высокой временной стабильностью.

Следует отметить, что испытания на наработку, которые проводились для вышеперечисленных структур в течение 3000 ч при температуре 358 К (85^oС), показали, что такая температура может являться рабочей. Изменение выходной мощности этих излучателей за время испытаний не превысило 20%. При кратковременном, в течение 2-3 минут, воздействии температуры 470-490 К (197-227^oС) также не происходит существенного изменения мощности излучения.

Все указанные свойства дают возможность расширить область применения таких излучателей, например, использовать их в бескорпусном виде для поверхностного монтажа.

На фиг. 4 показан фотолюминесцентный полупроводниковый инфракрасный излучатель, в котором в качестве источника электромагнитной накачки 2 использован полупроводниковый микролазер типа АТС-С500-35, размещенный на теплоотводе 11. Подложка из BaF₂, на которой сформирована многослойная полупроводниковая структура, смонтирована на рамке из теплоизолирующего материала 12 для исключения влияния тепла, выделяющегося в момент импульса на полупроводниковую излучающую структуру.

Пример 1. Рассмотрим конструкцию полупроводникового излучателя, предназначенного для использования в трехспектральном газоанализаторе углеводородов. В данном приборе требуется излучатель, имеющий примерно одинаковую мощность излучения на трех длинах волн (=3,0; 3,2 и 3,4 мкм), а также возможно более плоскую спектральную характеристику в рабочей зоне спектра. Активная область данного излучателя сформирована из трех слоев полупроводниковых материалов Pb_0,99Cd_0,01Se, Pb_0,90Cd_0,10Se и Pb_0,50Cd_0,50Se. Ширина запрещенной зоны этих материалов составляет, соответственно, 0,28, 0,32 и 0,35 эВ. При выборе толщины отдельных слоев учитывается тот факт, что суммарная толщина должна быть такой, чтобы обеспечить максимально эффективное поглощение накачивающего излучения и минимально возможное поглощение полезного длинноволнового излучения, что в конечном итоге обеспечивает максимальный коэффициент преобразования излучения накачки. При длине волны излучения накачки 0,9 мкм коэффициент поглощения для материалов Pb_xCd_1-xSe составляет 510⁴ см^-1 /1/. Если допустить, что для эффективной работы преобразователя требуется, чтобы в полупроводниковой структуре поглощалось не менее 90% падающего излучения, а через структуру проходило не более 10%, т.е.

Iпр = 0,1Iпад,

и исходя из того, что

I_пр = I_падe^-d,

где d - суммарная толщина полупроводника, не трудно подсчитать, что d1,0 мкм.

Исходя из того, что выходящее длинноволновое излучение будет частично поглощаться каждым последующим слоем полупроводникового материала, особенно со стороны коротковолнового края спектра, каждый последующий слой выбирается на 15-25% тоньше предыдущего, начиная со стороны подложки и источника накачки. В рассматриваемой конструкции толщина первого слоя составила , второго слоя и третьего слоя .

Учитывая возможность взаимной диффузии элементов различных слоев полупроводниковых материалов в процессе работы, особенно при повышенных температурах эксплуатации (330-360 К), активные слои структуры разделяются между собой слоями окисла, прозрачного как для накачивающего, так и длинноволнового излучения. Толщина окисла не является особенно критичной, т.к. уже при толщине наблюдается значительное ослабление процессов взаимной диффузии при длительной повышенной температуре эксплуатации. Практически толщина окисла определяется технологией его получения и составляет, в зависимости от толщины слоя материала, от ¹/₂ до 1/5 от толщины полупроводникового слоя. Таким образом, суммарная толщина всей многослойной структуры, в зависимости от конкретной конструкции, составляет от 5000 до . На фиг. 5 представлена энергетическая диаграмма, а на фиг.6 - спектральная характеристика рассматриваемой трехслойной структуры при температурах 293, 253 и 313 К. Из фиг.6 следует, что на длинах волн 3,0; 3,2 и 3,4 мкм данная излучательная структура имеет примерно одинаковую интенсивность излучения, которая слабо меняется в выбранном температурном диапазоне. Полуширина спектра рассматриваемого излучателя составляет около 1,2 мкм. На фиг.7 для сравнения приведены спектральные характеристики однослойной пленки состава Pb_0,91Cd_0,09Se /2/, наиболее пригодного для рассматриваемого трехспектрального источника. Из фиг.7 следует, что полуширина линии излучения такого источника составляет лишь 0,6 мкм, следствием чего является большое отличие интенсивности излучения в рабочих полосах спектра и ее значительно более сильная температурная зависимость по сравнению с предлагаемым вариантом. Указанное свойство позволяет значительно повысить температурную стабильность фотолюминесцентного излучателя, что является очень важным условием при использовании таких приборов для целей газового анализа. Выходная мощность такого излучателя при 300 К составляет 160 мкВт при токе через накачивающий светодиод 80 мА. При температуре 358 К мощность излучения составляет 80 мкВт при том же токе.

Пример 2. На фиг.8 представлена энергетическая диаграмма, а на фиг.9 - спектральная характеристика излучающей структуры на основе двух полупроводниковых материалов - Pb_0,95Cd_0,05S и Pb_0,80Cd_0,20S с E_g равной, соответственно, 0,51 и 0,6 эВ. Из фиг.9 следует, что данный излучатель имеет достаточно плоскую спектральную область в диапазоне длин волн 2,1-2,3 мкм. На той же фиг.9 представлен спектр излучения рассматриваемого излучателя с использованием интерференционного фильтра как элемента конструкции. Как следует из фиг. 9, в случае изменения температуры на температурный сдвиг спектра такого источника будет, в первую очередь, оказывать влияние температурный сдвиг спектра пропускания интерференционного фильтра, который составляет 610^-4 мкм/град, что более чем на порядок меньше, чем сдвиг максимума полупроводникового излучателя.

Выходная мощность такого излучателя со встроенным интерференционным фильтром при 300 К составляет 20 мкВт при токе через накачивающий светодиод 80 мА. При температуре 358 К мощность излучения составляет 11 мкВт при том же токе.

Пример 3. Рассмотрим излучатель, предназначенный для использования в газоанализаторе моноокиси и двуокиси углерода. Оптическая схема данного газоанализатора предусматривает использование трех спектральных линий: 4,67 мкм - полоса поглощения моноокиси углерода; 4,27 мкм - полоса поглощения углекислого газа и 3,90 мкм - опорная длина волны. Излучающая структура выполнена из двух слоев полупроводника PbSe и Pb_0.80Cd_0.20Se с шириной запрещенной зоны 0,27 эВ и 0,34 эВ соответственно, нанесенных на подложку из ВаF₂. На фиг. 10 изображена конструкция рассматриваемого излучателя. На металлостеклянном корпусе типа ТО-8 13 смонтирован однокаскадный термоэлектроохладитель 14, на поверхности которого размещены безкорпусной GaAs светодиод 2 и монтажная рамка из теплопроводящей керамики 15. На рамке теплопроводным компаундом закреплена излучающая структура 16. Для исключения конденсирования влаги из окружающей среды на холодных частях прибора при его работе вся охлаждаемая конструкция загерметизирована в среде осушенного воздуха крышкой 17 с прозрачным в области до 5 мкм окном из лейкосапфира 18. Использование термоэлектрического охладителя в данной конструкции излучателя объясняется, во-первых, необходимостью получения максимально длинноволновой спектральной характеристики, во-вторых, возможностью термостабилизации излучателя, что особенно важно для измерения концентрации моноокиси углерода, которая имеет в данном спектральном диапазоне сравнительно узкую и линейчатую полосу поглощения. На фиг. 11 представлены спектральная характеристика данного излучателя (рабочая точка 240 К) и спектральная характеристика излучающей структуры на основе пленки PbSe при той же температуре. Затянутый левый край спектральной характеристики предлагаемой структуры обеспечивает выравнивание чувствительности газоанализатора, в котором используется данный излучатель к моноокиси и двуокиси углерода.

Мощность рассматриваемого излучателя составляет 180 мкВт при токе через накачивающий светодиод 80 мА и температуре рабочей поверхности термоохладителя 240 К.

Литература

1. Ю. И. Равич, Б.А.Ефимова, И.А.Смирнов. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца РbТе, PbSe и PbS. - M.: "Наука", 1968.

2. Непомнящий С.В., Пашкевич А.В., Шелехин Ю.Л., Дийков Л.К. "Фотолюминесценция поликристаллических пленок Pb_1-xCd_xSe". - Физика и техника полупроводников. Т.18. Вып.12, 1984, с.2233- 2235.