Анотація до роботи:

Чирчик Сергій Васильович. Механізм впливу випромінювання з області власного поглинання монокристалічного Si на його теплове випромінювання в ізотермічних умовах. – 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, 2006.

В дисертаційній роботі запропонований новий принцип застосування Si в якості випромінювача на середній і дальній ділянки інфрачервоного (ІЧ) спектру, що базується на ефекті модуляції потужності теплового випромінювання (ТВ) напівпровідника у спектральному діапазоні внутрішньозонних електронних переходів при збудженні випромінюванням з енергією кванту, що перевищує ширину забороненої зони напівпровідника. Проведене дослідження механізму впливу випромінювання з області фундаментального поглинання Si на його теплове випромінювання за краєм фундаментального поглинання в широкому діапазоні температур (300 – 800 К). Показано, що його потужність залежить від концентрації вільних носіїв заряду. Зміна концентрації здійснювалась шляхом оптичної інжекції світлом з області власного поглинання, цей процес розглядався як перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове (light down conversion). Отримані залежності ефективності такого перетворення від параметрів зовнішніх впливів (температури н/п, інтенсивності та довжини хвилі збуджуючого світла) і параметрів кристалів Si (матеріалу, концентрації та типу домішок, часу життя носіїв заряду, стану поверхні, товщини). Визначені параметри матеріалу та зразків, оптимальні для досягнення максимальної ефективності перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове. Досліджений температурний діапазон, в межах якого досягаються найвищі значення потужностей Si-випромінювачів, встановлені їх граничні значення в ізотермічних умовах. Досліджено вплив одношарових просвітлюючих покриттів на потужність і спектральний розподіл таких випромінювачів. Показано, що в результаті застосування таких покриттів максимальна потужність нерівноважного ТВ в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм зростає майже до потужності ТВ абсолютно чорного тіла і відбувається реструктуризація спектру.

Запропоновані методи підвищення ефективності роботи Si-випромінювачів за рахунок зменшення швидкості поверхневої рекомбінації (методом імпульсного лазерного осадженням плівок з кремнієвими квантовими точками), підбору довжини хвилі збуджуючого світла і температури, використання просвітлюючих покриттів.

За результатами проведених досліджень були запропоновані: фотонний Si-випромінювач з оптичним керуванням, здатний імітувати як “гарячі” (Т>>0 ⁰C), так і “холодні” (Т<<0 ⁰C) об’єкти в ІЧ області спектру (3-12 мкм), що не потребує реального охолодження самого випромінювача і працює при високих температурах; новий тип фотонного багатоспектрального випромінювача з керованими параметрами, здатного імітувати об’єкти в ІЧ діапазоні з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм; фотонний ІЧ випромінювач великої площі (кілька квадратних сантиметрів), спектр випромінювання якого не прив’язаний до ширини забороненої зони н/п, що суміщає переваги як світлодіодних (можливість генерувати випромінювання як позитивного, так і негативного контрастів, висока швидкодія), так і теплових джерел (широкий спектральний діапазон, високі робочі температури); подовжувач імпульсу (робота якого ґрунтується на ефекті насичення випромінювальної здатності н/п при високому рівні фотозбудження); безконтактні високотемпературні неруйнуючі оптичні методи вимірювання рекомбінаційних параметрів напівпровідників (дифузійної довжини, часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду). Обґрунтовані їх переваги над існуючими аналогами.

1. При опроміненні Si зразка при сталій температурі світлом з області фундаментального поглинання, він стає джерелом некогерентного нерівноважного теплового випромінювання (теплове випромінювання фотогенерованих вільних носіїв заряду). На основі цього процесу можуть бути створені фотонні випромінювачі з керованими параметрами.

2. Ефективність роботи таких випромінювачів зростає при підвищенні температури і не залежить від квантового виходу міжзонної рекомбінації.

3. Для ефективної роботи таких приладів Si кристал повинен бути прозорим в ІЧ області спектру (при відсутності фотозбудження), мати великий час життя вільних носіїв заряду, швидкодія приладу визначається часом життя носіїв заряду.

4. Потужність нерівноважного ТВ Si залежить від температури, потужності і довжини хвилі збуджуючого світла, параметрів Si (часу життя носіїв заряду, товщини, типу провідності, рівня легування, коефіцієнту відбивання).

5. Запропонований фотонний Si-випромінювач дозволяє перетворювати зображення видимого та ближнього ІЧ діапазонів у зображення середнього та далекого ІЧ діапазонів як позитивного (Т>>0 ⁰С), так і негативного (Т<<0 ⁰С) контрастів, що не потребує реального охолодження самого перетворювача завдяки використанню “холодного” фонового екрану.

6. Розроблений кремнієвий ІЧ випромінювач великої площі (кілька квадратних сантиметрів) має спектр випромінювання, який не прив’язаний до ширини забороненої зони н/п.

7. При нанесенні на поверхню Si просвітлюючого покриття, потужність випромінювача в діапазонах 3-5 і 8-12 мкм може зростати під дією світла майже до потужності випромінювання АЧТ в цих діапазонах при постійній температурі кристалу.

8. Новий тип фотонного Si-випромінювача здатний імітувати об’єкти в ІЧ діапазоні спектру з тепловим контрастом, що розрізняється при спостереженні в різних спектральних діапазонах, за рахунок використання спектрально-селективних покриттів.

9. Розроблений випромінювач суміщає переваги як світлодіодних (можливість генерувати випромінювання як позитивного, так і негативного контрастів, висока швидкодія), так і теплових джерел (широкий спектральний діапазон, високі робочі температури).

10. На основі досліджуваного явища перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове, може бути реалізований ефект подовжувача імпульсу сталої амплітуди (тобто, коли довжина збуджуючого імпульсу в десятки разів менша за тепловий). Це відбувається завдяки насиченню випромінювальної здатності випромінювача на рівні (1-R) при високому рівні фотозбудження.

11. На основі досліджуваного явища перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове, розроблені безконтактні, високотемпературні неруйнуючі оптичні методи вимірювання рекомбінаційних параметрів напівпровідників (дифузійної довжини, часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації носіїв заряду).

12. Обробка монокристалічного кремнію методом імпульсного лазерного осадженням плівок з кремнієвими квантовими точками дозволяє зменшити швидкість поверхневої рекомбінації шляхом пасивації поверхні монокремнію. Така обробка дозволяє варіювати величиною поверхневої рекомбінації завдяки різним механізмам впливу різних домішок на пасивацію поверхні Si.

Публікації автора:

1. V. Malyutenko, S. Chyrchyk. Surface recombination velocity in Si wafers by photoinduced thermal emission. Appl. Phys. Lett. 89, 051909, 2006.

2. V.K. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, O.Yu. Malyutenko, S.V. Chyrchyk. Cold Background Infrared Scene Simulation Device. // Proc. SPIE.–2006.–Vol.6208.–P. 240-248.

3. Е.Б. Каганович, Е.Г. Манойлов, Є.В. Бєгун, С.В. Чирчик. Поверхнева рекомбінація носіїв заряду в структурах “нанокристали кремнію на кремнії” // УФЖ, №7, т.51, c. 715-717, 2006.

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. Деклараційний патент на корисну модель 15589 Україна, МПК G01N 27/00. Безконтактний спосіб визначення рекомбінаційних параметрів в напівпровідниках при підвищених температурах / В.К. Малютенко, С.В. Чирчик.-№ 200512129; Заявл.16.12.2005; Опубл.17.07.2006, Бюл. № 7.-4с.

6. 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.

7. Э.Б. Каганович, В.К. Малютенко, Е.Г. Гуле, С.В. Чирчик, Э.Г. Манойлов. Модификация поверхности кремния наночастицами: скорость поверхностной рекомбинации и краевая фотолюминесценция кремния. // Тезисы VI Международного украинско-российского семинара «Нанофизика и наноэлектроника», 26-28 сентября 2005 г., Киев, Украина, с.101-102.

8. S.V. Chyrchyk, V.K. Malyutenko, E. G. Gule, E. B. Kaganovich. Improvement of monocrystalline silicon surface passivation by silicon nanostructure deposition // Тези доповідей. The 2^nd International Conference on Physics of Laser Crystals, Big Yalta, Ukraine, September, 25-30, 2005.

9. С.В. Чирчик, О.Ю.Малютенко. Двовимірний розподіл ефективного часу життя носіїв струму в пластинах кремнію. // Тези доповідей І науково-технічної конференції з міжнародною участю “МЕТІТ-1”, 14-17 квітня 2004 р., м. Кременчук, Україна, с. 22-24.

10. 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, c. 415.