Применение Из истории создания и применения
Из истории создания и применения
Светодиоды средневолнового диапазона спектра (3-5 мкм)
Фотодиоды на основе InAs и InAsSb. Параграфы из книги "Infrared Detectors" A. Rogalski 2012
Светодиоды средневолнового диапазона спектра (3-5 мкм)
Рассказ о светодиодах средневолнового диапазона спектра (3-5 мкм) следует начать с 1957 года, когда группа сотрудников ФТИ им.А.Ф. Иоффе, изучавшая отрытые незадолго до этого Горюновой Н.К. полупроводники AIIIBV, была преобразована в лабораторию электронных полупроводников, которую возглавил профессор Наследов Д.Н.. Первые диффузионные p-n переходы в InAs были созданы в 1963 году [1], однако впоследствии основные исследования в области создания спонтанных источников были сосредоточены на структурах с твердым раствором InxGa1-xAs, виртуозно синтезированным методом Чохральского Ю.М.Бурдуковым [2]. Указанный материал был привлекателен тем, что позволял получать электролюминесценцию на длине волны 3.4 мкм – полосе поглощения метана, создававшего и поныне создающего угрозу безопасности в угольных шахтах. Максимум финансирования государством работ по созданию ИК светодиодов пришелся на 1978 год, когда между Министерством Приборостроения, Средств Автоматизации и Систем Управления (ВНИИАП, г.Киев) и ФТИ был подписан 3-х годичный хоздоговор по теме «Исследования возможности создания газоанализатора на основе твердотельного источника излучения» со стоимостью работ в ФТИ около 1 млн.руб. (в тех ценах это было примерно эквивалентно 1 млн. долларов США). Благодаря переходу на новую для лаборатории эпитаксиальную технологию и самоотдаче сотрудников за короткий срок были достигнуты пионерские результаты – были впервые созданы неохлаждаемые светодиоды, работающие на длинах волн, более 4 мкм [3]; создание макета высокочувствительного метанометра под руководством заведующего лабораторией профессора А.А.Рогачева [4] было вписано в годовой отчет ФТИ, как одно из его основных достижений.
«Застой» в экономике и последовавший за этим развал СССР нарушил деловые связи, созданные в период работы над программой Министерства Приборостроения, и не позволил довести дело до промышленного производства. Работы над светодиодами в гетероэпитаксиальном исполнении были возобновлены лишь после проведения реформ, сделавших возможным финансирование из-за границы (программы Copernicus и Schlumberger Oil Field Service). Важным шагом в этих работах являлись «возврат» к InAs, как к материалу активной области для СД на длину волны 3.4 мкм, сделанному благодаря преодолению неприятия материала с вырождением электронов в зоне проводимости в качестве прозрачного «окна» [5], и использованию оптического возбуждения в качестве способа «накачки» узкозонной активной области (λ>7 мкм), а также флип-чип технологии. Последнее оказалось краеугольным камнем для «иммерсионных» светодиодов, имеющих ныне согласно данным ООО «Иоффе ЛЕД» наибольший спрос у потребителей благодаря высокой мощности и узкому световому пучку. Обзор работ по наиболее востребованным светодиодам на длину волны 3.4 мкм, выполненных в лаборатории, Инфракрасной Оптоэлектроники ФТИ, можно найти в статье [6]. В ходе работ над диодами с шириной запрещенной зоны, соответствующей интервалу 3-5 мкм, были не только решены технологические проблемы (низкоомные отражающие контакты, эффективный теплосъем с p-n перехода, оптимальный вывод излучения из полупроводникового кристалла), но и расширено само понятие «источник излучения». Теперь под ним понимается источник, как положительной, так и отрицательной люминесценции, причем режим работы выбирается исходя из условий эксплуатации.
У светодиодов среднего ИК диапазона большое будущее, уже сегодня они стоят на страже здоровья и жизни в больницах, измеряя в выдохе концентрацию CO2, и предупреждая об утечках углеводородов на нефтеперегонных заводах [7]; в ближайшей перспективе – измерение микроконцентраций газов (единицы ppm) с помощью согласованных диодных оптопар [8] и оптико-акустического метода [9].
[1] Н.П. Есина, Н.В. Зотова, Д.Н. Наследов, Радиотехника и электроника, т.8, 1602 ( 1963).
[2] Ю.М.Бурдуков, Н.В.Зотова, Д.Н.Наследов, Э.Е.Страхилевич, «Фото- м элеткролюминесценция твердых растворов InxGa1-xAs», ФТП, 4 (10), 1906-1909 (1970)
[3] Н.П.Есина Н.В.Зотова, Б.А.Матвеев, Н.И.Стусь, Г.Н.Талалакин, Т.Д.Абишев, «Длинноволновые неохлаждаемые светодиоды на основе твердых растворов InAsSbP» , Письма в ЖТФ, 1983,т.9,вып.7, стр.391 - 395
[4] Н.П.Есина Н.В.Зотова И.И.Марков Б.А.Матвеев А.А.Рогачев Н.М.Стусь Г.Н.Талалакин, “Газоанализатор на основе полупроводниковых элементов”, Журнал прикладной спектроскопии ,1985,т.42, в.4, стр.691-694
[5] Б.А.Матвеев, «Полупроводниковый источник инфракрасного излучения», патент РФ № 22615019
[6] Н.В. Зотова, Н.Д.Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М.Стусь, «Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор)», ФТП, 42, №6, 641-657, (2008).
[7] Кузнецов А.А., Балашов О.Б., Васильев Е.В., Логинов С.А., Луговской А.И., Черняк Е.Я., «Дистанционный инфракрасный детектор углеводородных газов», Приборы и системы. Управление контроль, диагностика, № 6, 55-59 (2003)
[8] Sotnikova, G. Y.; Gavrilov, G. A.; Aleksandrov, S. E.; Kapralov, A. A.; Karandashev, S. A.; Matveev, B. A.; Remennyy, M. A., "Low Voltage CO2-Gas Sensor Based on III–V Mid-IR Immersion Lens Diode Optopairs: Where we Are and How Far we Can Go?" Sensors Journal, IEEE Volume 10, Issue 2, Feb. 2010 Page(s):225 – 234, Digital Object Identifier 10.1109/JSEN.2009.2033259
[9] T. Kuusela, J. Peura, B. A. Matveev, M. A. Remennyy, N. M. Stus’, «Photoacoustic gas detection using a cantilever microphone and III–V mid-IR LEDs», Vibrational Spectroscopy, 51(2), 289-293 (2009).
Светодиоды средневолнового ИК-диапазона на основе гетероструктур А3В5 в газоаналитическом приборостроении. Возможности и применения.
Представлена история отечественных работ по созданию фотонных источников излучения (светодиодов) средневолнового диапазона спектра (3-5 мкм) и газоанализаторов на их основе. "Фотоника", 2014 год, выпуск 48, стр. 80-90 (pdf)
Фотодиоды на основе InAs и InAsSb.
Информация об иммерсионные фотодиодах на основе InAs и его твердых растворов (InAsSb(P)), разработанных коллективом компании, включена в книгу "Infrared Detectors" A. Rogalski 2012 (pdf)
