Введение

За последние годы УФ-техника интенсивно развивается. Это обусловлено прежде всего появлением новых технических идей, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики УФ-систем, упростить их конструкцию и существенно снизить стоимость. Новые идеи относятся в первую очередь к основным элементам приемо-передающей системы -- фотоприемному устройству и излучателю.

Вслед за созданием твердотельных формирователей сигналов изображения в видимой и ИК областях спектра многоэлементные приемники изображения, функционирующие на новых принципах, создаются и для УФ-диапазона спектра.

Детектирование света в ультрафиолете (длина волны меньше 400 нм) имеет широкий диапазон применений, как коммерческих, так и военных, особенно в тех областях, где требуется анализ УФ излучения при наличии мощного видимого или инфракрасного фона. В коммерческом секторе эти применения включают в себя: датчики пламени и нагрева, стерилизация в медицине, приборы для измерения биодоз УФ (мониторы загара), диагностика плазмы, мониторинг двигателей. Среди военных применений можно назвать: детектирование следов от двигателей ракет, наведение ракет, детектирование биологических и химических веществ (основные линии поглощения лежат в ультрафиолете), закрытая связь между искусственными спутниками (УФ лучи не проникают сквозь озоновый слой земной атмосферы) и системы связи с подводными лодками. Большинство из этих применений требуют использования детекторов, не чувствительных к солнечному свету; нужно детектировать только ультрафиолет и в идеале иметь нулевую чувствительность для более длинных волн. Например, в полете ракета может иметь выхлопной хвост длиной в милю. Если детектор, используемый для поиска и наведения антиракеты-перехватчика, будет чувствителен в широкой области спектра, включая видимую и ИК, тогда ракета представляется целью длиной в милю, что сделает невозможным наведение антиракеты. Однако, если детектор будет чувствителен только в ультрафиолете, он зафиксирует только самые горячие газы, вырывающиеся у хвоста ракеты, и наведение будет идеальным. Точно так же УФ детекторы могут быть использованы в качестве датчиков противопожарных систем для обнаружения наличия именно пламени (которое имеет УФ компоненту), а не просто нагретого объекта, который может быть связан, а может и не быть связан с пламенем.

Подавить видимое излучение можно несколькими способами: первый – использовать светофильтры, что менее предпочтительно, так как они в большинстве своем нестабильны, и второй – создание такой конструкции прибора, которая была бы нечувствительна к видимой области спектра.

Фоторезисторы, несмотря на быстрый прогресс фотоприемников с p-n переходом, остаются важным средством оптоэлектроники. Прежде всего это обусловлено большим коэффициентом усиления, определяемым соотношением числа электронов, прошедших во внешней цепи к числу возбужденных фотоэлектронов. Если омические контакты фоторезистора беспрепятственно пропускают электроны как внутрь полупроводника, так и из него, то коэффициент усиления определяется очевидным соотношением:

,

где t_пр – время пролета электрона через фоторезистор, l – длина активной области, U – приложенное напряжение. Это соотношение подтверждает преимущество полупроводников с высокими значениями подвижности и времени жизни носителей заряда. Коэффициент усиления фототока пропорционален приложенному напряжению и может достигать 10³ – 10⁵.

С точки зрения применения фоторезисторов в оптоэлектронной технике удобнее использовать не коэффициент усиления, а сопротивления в темновом R_T и засвеченном R_СВ состояниях. Важными схемотехническими достоинствами фоторезисторов являются такие их свойства, как линейность вольт-амперной характеристики, отсутствие эффекта выпрямления и внутренних э.д.с., что важно для многих линейных, прецизионных, электрометрических схем.

По мере роста прикладываемого напряжения, мощности облучения и тока через фоторезистор становится существенным ряд эффектов (уменьшение значений _эфф и _эфф, нарушение омичности контактов, переход в область токов, ограниченных пространственным зарядом и др.), нарушающих линейность основных состояний и ограничивающих реальные возможности приборов этого типа. Пленочная технология изготовления фоторезисторов порождает такие их достоинства, как дешевизна, широта перекрываемого диапазона номиналов, простота реализации фоточувствительных элементов со сложной конфигурацией, технологическая совместимость с порошковыми и пленочными электролюминесцентными излучателями.

При всей важности перечисленных достоинств фоторезисторов нельзя забывать о таком их принципиальном недостатке, как весьма значительная инерционность. Кроме того, для большинства фоторезисторов, изготавливаемых не на монокристаллах, существенна температурная и временная нестабильность характеристик, обусловленная поверхностной хемосорбцией кислорода, в первую очередь, и другими механизмами деградации. [15].

ГЛАВА 1. СВОЙСТВА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ

1.1. Оптические свойства AlN.

Данные об оптических свойствах нитрида алюминия приводятся в достаточно ранних источниках, очевидно из-за того, что долгое время этот материал достаточно слабо использовался в оптоэлектронике.

К примеру, данные, приведенные в статье [2].

Кристаллы AlN были выращены эпитаксиальным способом на сапфировой подложке. Ориентация кристаллов -- . Образцы, отобранные для оптических измерений имели размеры , где  – одна из различных толщин образца. Для измерения оптического поглощения было использовано только эффективное пространство 0.5х0.5 см; остаток образца был закрыт маской. Это позволило выбрать ту область образца, которая имеет однородную структуру и в то же время обеспечивает постоянство поверхности под исследовательским лучом. Спектр оптического поглощения был получен при помощи спектрометра в совокупности с фотоумножителем и ЭВМ. Для низкотемпературных измерений, поскольку произошли изменения длительности оптических путей, потребовалась коррекция результатов.

Оптическая плотность нескольких образцов была измерена в широком температурном спектре. Коэффициент поглощения, в отсутствие поверхностных дефектов может быть получена из оптической плотности с использованием формулы соотносит оптическую плотность (OD) с коэффициентом поглощения , отражением и толщиной образца :

,

где есть искомая величина.

Опытное изучение нитрида алюминия показало, что поверхностными дефектами нельзя пренебречь для тех образцов, которые имеют большие поверхностные неровности. Образцы, за исключением пренебрежимо малого числа микроскопических неровностей имеют достаточно хорошее качество поверхности. Тем не менее наш анализ включает в себя возможность подобного влияния на оптическую плотность. На рис. 1.1.1. показаны данные для оптической плотности одного из наиболее тонких образцов. Оптическая плотность может быть разложена на четыре части, которые ясно видны на рис. 1.3.1. Математическое выражение оптической плотности представляет из себя следующее:

Здесь _ — частотно независимое слагаемое оптической плотности и _ и _{ —} зоны поглощения, ясно видимые на рис. 2. Эти два слагаемых экспериментально идентифицированы в качестве кислородных примесей и/или вакансий азота. Последний член в выражении, , является характерным для межзонного поглощения и дает нам как природу зазора m, так и его величину Eg. Значения 0.5 и 1.5 для m как раз и соответствуют прямому и непрямому зазору.

Техника параметризации, используемая в алгоритме Давидона-Флетчера-Пауэлла (вариативный метрический метод), дает значение констант, определенных выше. Исходя из этих значений, мы можем определить роль только последнего слагаемого во всей энергетической области эксперимента. График зависимости квадрата коэффициента поглощения как функции энергии приведен на рис. 1.1.2. Значение запрещенной зоны при комнатной температуре равняется 6.2 0.1 эВ и m =0.497. Во всех случаях величина m составляет менее 2% от величины, соответствующей прямому зазору.

Таким образом, было показано, что при отсутствии значительного количества примесей природа краев зон AlN легко определима. Запрещенная зона равна 6.28 эВ при температуре 5 К и 6.2 эВ при комнатной температуре.

Прямые межзонные переходы в кристаллах AlN начинаются с 5.74 и 5.88 эВ соответственно для перпендикулярной и параллельной поляризации (при комнатной температуре). Спектр отражения выше края фундаментального поглощения был получен для энергии фотонов выше 12 эВ, однако эти результаты неполные. Неизвестен еще механизм возбуждения стационарной люминесценции выше края основного поглощения у этих кристаллов.

В приведенной статье [1] были изучены спектры отражения и возбуждения синей люминесценции кристаллов AlN в области энергий 3 - 40 эВ. Источником УФ-излучения являлся синхротрон с энергией 680 МэВ. Для измерений применялся вакуумный монохроматор. Интенсивность возбуждения люминесценции рассматривалась как отношение интенсивности люминесценции кристалла AlN и интенсивности люминесценции салицилата натрия для той же длины волны. Спектр отражения измерялся с помощью фотоумножителя на салицилате натрия для преобразования УФ-излучения в видимое.

Исследованные в данной работе кристаллы AlN были получены с помощью прямой реакции паров Al и N при температуре 1850 ⁰С. Поскольку кристаллы AlN имеют форму тонких гексагональных призм с толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен мкм, они должны быть ориентированы параллельно друг другу для более точного измерения спектров возбуждения и отражения. Спектр возбуждения люминесценции был также измерен на образцах, полученных осаждением порошкообразного AlN. Все эксперименты проводились при комнатной температуре.

Рисунок 1.1.1. Зависимость оптической плотности от энергии фотонов для образца AlN толщиной 0.4 мкм при 5 К [2]

Рисунок 1.1.2. Квадрат коэффициента поглощения от энергии фотонов при 5 К (кривая 2) и 300 К (кривая 1) у края собственного поглощения AlN [2].

Рисунок 1.1.3. Интенсивность синей люминесценции (кривые a и b) и интенсивность отражения (кривая c) от энергии фотонов при 300 К [1].

Cпектр возбуждения стационарной люминесценции (рис. 3.4.3.) имеет комплексную структуру в области от 4 до 22 эВ. Поляризация в данных измерениях не учитывалась. Пик в области 4.5 эВ обусловлен прямым возбуждением примесных центров, пик в области 4.7 эВ — началом прямых межзонных переходов. Вид кривой возбуждения в области 8 — 22 эВ коррелирует с кривой отражения (рис 3.4.3., кривая с): максимум кривой фотовозбуждения соответствует минимуму отражения. Это подтверждает предположение, что квантовая эффективность определяется потерями на отражение и поверхностную безызлучательную рекомбинацию. При энергиях значительно больших чем ширина запрещенной зоны, в районе от 28 до 30 эВ, сильное возрастание интенсивности люминесценции объясняется началом фононного умножения. Спектр люминесценции порошкообразного AlN имеет такой же характер.

Существование на кривой отражения пиков в областях эВ и эВ, группы пиков в области от 10 до 16 эВ с максимумом при 13.8 эВ, и в области 17.5 эВ обусловлено межзонными переходами. Существующие на данный момент результаты расчетов электронной структуры не дают пока ясных и недвусмысленных данных. Общий вид кривой отражения имеет характер, сходный с кривыми отражения других полупроводниковых материалов типа A³B⁵ в области переходов из валентной зоны в зону проводимости.