Анотація до роботи:

Богатиренко В.В. Перетворення видимого світла в інфрачервоне випромінювання в монокристалах германію.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню впливу випромінювання з області власного поглинання германію на теплове випромінювання германію за краєм власного поглинання при високих температурах (Т300 К).

Розглянуто теплове випромінювання (ТВ) напівпровідника за краєм власного поглинання. Показано, що його потужність залежить від концентрації вільних носіїв заряду, зміна якої може здійснюватись світлом з області власного поглинання. Збудження ТВ напівпровідника за краєм власного поглинання світлом з області власного поглинання можна розглядати як перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове (light down conversion). Більша частина потужності ТВ приходиться на область l>3 мкм, в тому числі актуальні для теплобачення діапазони 3-5 та 8-12 мкм.

Сформульовані вимоги до напівпровідникового матеріалу, необхідні для ефективного перетворення світла видимого і ближнього ІЧ діапазонів в ІЧ випромінювання діапазонів 3-5 і 8-12 мкм. Показано, що для цього є придатним монокристалічний германій.

Теоретично і експериментально показано, що температурна залежність потужності надлишкового ТВ є немонотонною і що головною причиною немонотонності є збільшення з температурою коефіцієнта поглинання надлишкового ТВ рівноважними носіями внаслідок зростання їх концентрації. Визначений діапазон температур, в якому має місце температурна активація процесу light down conversion, і його залежність від параметрів напівпровідникового кристала: ширини забороненої зони, концентрації і типу домішок, товщини кристала. При зменшенні товщини кристала і збільшенні концентрації некомпенсованих домішок температурний діапазон активації розширюється. Визначено оптимальну концентрацію домішок, необхідну для досягнення максимальної потужності надлишкового ТВ.

Досліджено вплив одношарових просвітлюючих покриттів на потужність і спектральний розподіл надлишкового ТВ. Показано, що в результаті застосування покриттів максимальна потужність надлишкового ТВ в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм зростає майже до потужності ТВ абсолютно чорного тіла в цих діапазонах, а спектр надлишкового ТВ реструктурується.

На основі досліджень зроблено експериментальний прототип безконтактного перетворювача видимих зображень в ІЧ зображення, що може застосовуватись для динамічної імітації ІЧ сцен і тестування систем теплобачення. Обгрунтовано переваги цього імітатора над існуючими аналогами.

Експериментально показано, що германієвий ІЧ випромінювач на основі дослідженого явища light down conversіon може ефективно працювати до температури принаймні 300^о С, при цьому його потужність складає десятки мВт/см², а постійна часу знаходиться в мікросекундному діапазоні.

1. Збуджений світлом з hn>E_g напівпровідник при сталій температурі стає джерелом випромінювання з hn_g, надлишкового над випромінюванням незбудженого напівпровідника, що є по суті тепловим випромінюванням надлишкових вільних носіїв заряду. Цей процес можна розглядати як перетворення світла з короткохвильового діапазону спектра до довгохвильового (light down conversіon).

2. Ефективність перетворення світла не залежить від квантового виходу міжзонної випромінювальної рекомбінації. Отже, для його реалізації є придатними непрямозонні напівпровідники.

3. При малому рівні збудження (DKd<<1) в умовах лінійної рекомбінації потужність надлишкового теплового випромінювання пропорційна потужності збуджуючого світла і часу життя вільних носіїв, при цьому постійна часу перетворення світла дорівнює часу життя носіїв.

4. Для ефективного перетворення видимого світла в ІЧ випромінювання напівпровідниковий кристал повинен бути прозорим в ІЧ області спектра в незбудженому стані і мати високий час життя вільних носіїв заряду. Монокристали германію задовольняють цим умовам.

5. Потужність збуджуваного світлом ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала залежать від температури, потужності і довжини хвилі збуджуючого світла, параметрів кристала: типу провідності, рівня легування, часу життя носіїв, товщини, коефіцієнта відбивання поверхні.

6. Ефективність перетворення світла в кристалі германію досягає максимуму при деякій температурі кристала, яка залежить від області спектра спостереження ІЧ випромінювання і параметрів кристала: ширини забороненої зони, типу провідності, рівня легування, товщини.

7. Зменшення прозорості кристала внаслідок міжзонної термічної генерації вільних носіїв спричиняє зменшення ефективності перетворення світла зі збільшенням температури кристала. Чим більше ширина забороненої зони напівпровідника, тим при більших температурах ефективність перетворення світла починає зменшуватись.

8. Збільшення концентрації донорних або акцепторних домішок приводить до зсуву максимуму температурної залежності ефективності перетворення світла в сторону більших температур.

9. Ефективність перетворення світла для кристалів n-типу, за інших рівних умов, більше, ніж для кристалів p-типу. Це обумовлено більшою вихідною прозорістю кристалів n-типу внаслідок співвідношення s_n<s_p. По цій же причині існує оптимальна концентрація некомпенсованих донорів, при якій досягається найвища потужність надлишкового ІЧ випромінювання для кристалів заданої форми і розмірів.

10. При наявності на поверхні напівпровідникового кристала навіть найпростішого одношарового просвітлюючого покриття потужність теплового випромінювання кристала в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм може зростати під дією світла майже до потужності випромінювання абсолютно чорного тіла в цих діапазонах при стабільній температурі кристала.

11. Нанесення на поверхню напівпровідникового кристала інтерференційного покриття заданої товщини з матеріалу з заданим показником заломлення дає можливість реструктурувати спектр збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання кристала.

12. Просторова нерівномірність освітленості напівпровідникового кристала випромінюванням з області власного поглинання супроводжується такою ж просторовою нерівномірністю потужності теплового випромінювання кристала в спектральній області поглинання вільними носіями заряду навіть при рівномірній температурі кристалічної гратки і вільних носіїв. Це дозволяє генерувати динамічні ІЧ зображення шляхом перетворення динамічних видимих зображень за допомогою однорідної монокристалічної напівпровідникової пластини.

13. На основі дослідженого явища light down conversіon створені експериментальні прототипи джерел ІЧ зображень, здатні відтворювати як "гарячі", так і "холодні" ІЧ сцени. Джерела можуть застосовуватись для тестування ІЧ камер.

14. На основі дослідженого явища light down conversіon реалізований ефект зникнення зображення в ІЧ діапазоні.

15. Джерела ІЧ випромінювання, основані на дослідженому явищі light down conversіon, суміщають переваги світлодіодів (швидкодія, можливість генерувати випромінювання позитивного і негативного контрастів) і теплових джерел (високі робочі температури, ефективна робота як в MW, так і в LW діапазоні).

16. Германієвий ІЧ випромінювач на основі дослідженого явища light down conversіon може ефективно працювати до температури принаймні 300^о С, при цьому його потужність складає десятки мВт/см², а постійна часу знаходиться в мікросекундному діапазоні.

Публікації автора:

1. V.K. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, O.Yu. Malyutenko, D.R. Snyder, A.J. Huber, J.D. Norman. Semiconductor screen dynamic visible-to-infrared scene converter // Proc. SPIE.–2002.–Vol.4818.–P.147-156.

2. V.K. Malyutenko, K.V. Michailovskaya, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, D.R. Snyder. Infrared dynamic scene simulating device based on light down-conversion // IEE Proc. Optoelectronics.– 2003.–Vol.150, №4.–P.391-394.

3. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, S.V. Chyrchyk, J.R. Kircher, R.L. Murrer, D.R. Snyder. Synthetic IR signature control using emissivity enhancement techniques // Proc. SPIE.–2004.–Vol.5408.–P.118-126.

4. V.K. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, O.Yu. Malyutenko, S.V. Chyrchyk. Si infrared pixelless photonic emitter / Proc. SPIE.–2005.–Vol.5957.–P.75-81.

5. Пат. 68375 Україна, МКИ 7 Н01Д31/14, G01J1/00. Пристрій для формування динамічних двовимірних інфрачервоних зображень / В.К. Малютенко, Д.Р. Кірчер (США), Р.Л. Мурер (США), О.Ю. Малютенко, В.В. Богатиренко.–№ 2000095565; Заявл. 28.09.04; Опубл. 16.08.04, Бюл. № 8.–7с.

6. Пат. 72012 Україна, МКИ G01J1/00. Спосіб імітування інфрачервоних сцен з керованим тепловим контрастом / В.К. Малютенко, О.Ю. Малютенко, К.В. Михайловська, В.В. Богатиренко, Д.Р. Снайдер (США).–№ 2002064925; Заявл. 14.06.02; Опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1.–5с.

7. V.K. Malyutenko, K.V. Michailovskaya, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, D.R. Snyder. Pixelless IR Dynamic Scene Simulating Device // Abstract book of 5^th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronic Materials and Devices, September 8-11, 2002, Annapolis, Maryland USA, P.58.

8. В.В. Богатыренко, Е.В. Михайловская. Использование тонкопленочных покрытий в проекторе динамической инфракрасной сцены (DISP) // Материалы IX международной конференции по физике и технологии тонких пленок, 19-24 мая 2003 г., Ивано-Франковск, Украина, С.209-210.

9. К.Д. Глинчук, В.К. Малютенко, О.Ю. Малютенко, С.В. Чирчик, В.В. Богатыренко. Влияние рекомбинационных свойств кремния (Т>300 K) на параметры имитаторов сцены инфракрасного диапазона // Тезисы докладов Третьей Российской конференции “Кремний-2003”, 26-30 мая 2003 г., Москва, Россия, С.415.