Введение к работе
Актуальность темы. Устройства фотоники и оптоэлектроники характеризуются широкими функциональными свойствами и применяются во всех звеньях систем обработки информации. Одна из основных задач, решаемая оптоэлектроникой и фотоникой, связана с передачей информации с использованием фотонов [1, 2]. Повышение скорости передачи информации в системах связи и быстродействия вычислительных систем являются актуальной задачей. В настоящее время развиваются два направления решения этой задачи. Первое связано с интеграцией электронных и оптических систем на одной кремневой подложке [3, 4, 5]. При этом необходимо изготовить на основе кремния светодиоды, световоды, модуляторы и приёмники излучения. О решении этих задач и изготовлении опытных образцов в 2008 г. сообщила компания Intel [5]. Второе направление связано с интеграцией не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором [3]. Идея использования физических принципов интеграции нескольких функций в одном приборе возникла в конце 70-х г. Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В, Стафееву В.И., Пустовойту В.И., Носову Ю.Р. и другим отечественным ученым. Это направление в оптоэлектронике получило название функциональная оптоэлектроника [6]. Мы полагаем, что вторая проблема может быть решена путём совмещения функций приема оптических сигналов и их обработки в фотоприемнике с помощью электрических сигналов, а также управление электрическими сигналами с помощью оптических сигналов. Это позволит создавать подлинно функциональные оптоэлектронные приборы и вынести практически полностью электронику на периферию, обеспечивая с помощью неё только процессы усиления и фильтрации сигналов [3]. Для совмещения функций приема и обработки оптических сигналов фотоприемник должен выполнять операцию прямого аналогового перемножения оптических сигналов на электрические сигналы. Операция умножения является основной для обработки сигналов в системах передачи и приема информации по оптическим и электронным каналам связи и осуществляется опосредованно, путем возведения в квадрат суммы двух сигналов [7,8]. Создание фотонного аналога транзистора, который реализует прямое аналоговое перемножение электрических сигналов на оптические сигналы, обеспечит физические принципы интеграции оптики и электроники.
Для решения задач приема и хранения оптической информации необходимо также устройство, которое обеспечивает совмещение нескольких функций в одном приборе, что позволит сократить время обработки оптического сигнала.
В связи с этим в работе выделены два направления в исследованиях. Первое направление связано с исследованием функциональных свойств фоточувствительных структур, обеспечивающих совмещение операций приема и обработки оптических сигналов. Это направление включает так же исследование операции перемножения оптических и электрических сигналов фоторезистивными структурами, изучение влияния кинетики на нелинейные искажения при регистрации фоторезистором модулированных оптических сигналов. Объём исследований и знаний о таких процессах пока очень мал или отсутствует. Второе направление связано с исследованием физических процессов в фоторезистивных структурах, которые выполняют функции источника излучения, а также приёма и хранения информации в виде оптического сигнала. К таким структурам относятся пленочные и электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК). Такие ЭЛК представляют собой симметричные структуры металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл (МДПДМ). Эти устройства обладают эффектом оптической памяти. В настоящее время отсутствие качественной технологии изготовления порошковых ЭЛК не позволяет совершенствовать эти устройства. Отсутствуют дублирующие методы определения параметров зонной схемы порошковых полупроводниковых материалов, на основе которых изготавливаются данные устройства.
Объектом исследования в первом направлении нами был выбраны фоторезисторные симметричные структуры типа . Объектом исследования, во втором случае, являлись электролюминесцентные конденсаторы на основе порошковых люминофоров.
Предметом исследования в обоих случая являлись оптические методы передачи и обработки информации, фотоэлектрические явления, люминесценция.
Особенностью данной работы является сочетания физических методов решения поставленных задач, математического моделирования, технических и технологических решений, обеспечивающих реализацию физических идей.
Цель работы: Исследование неравновесных фотоэлектрических процессов в полупроводниках, функциональных свойств симметричных фоторезисторных структур для создания на их основе многофункциональных элементов для оптоэлектроники.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-исследовать функциональные свойства фоторезисторных структур при нестационарном возбуждении и питании;
-исследовать влияние кинетики фотопроводимости и инжекционных явлений на нелинейные искажения, носимые фоторезистором в регистрируемый оптический сигнал;
-разработать новую конструкцию и технологию изготовления ЭЛК, обеспечивающего высокую точность и повторяемость результатов и обладающих эффектом памяти;
-разработать новые методы контроля глубины залегания примесных уровней, определяющих кинетику процессов запоминания в ЭЛК.
Научная новизна полученных результатов и выводов.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-
Установлено, что среднее значение концентрации свободных носителей при периодическом освещении полупроводника, зависит от частоты модуляции возбуждающего излучения при различных скоростях процессов генерации и рекомбинации свободных носителей.
-
Предложен метод определения кинетических параметров фотопроводимости по зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции возбуждающего излучения. Предложен способ Фурье анализа кинетики фотопроводимости с помощью переменного напряжения, приложенного к фоторезистору.
-
Получена математическая модель многофункционального устройства на основе фоторезистора, обеспечивающего операцию прямого аналогового перемножения электрических и оптических сигналов (смесителя). Предложен способ совмещения гетеродинного приёма и детектирования оптических сигналов, модулированных по оптической частоте или фазе с помощью фоторезистора. Созданы математические модели и новые устройства на основе фоторезистора для спектрального анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов, модулированных электрических сигналов; устройства амплитудной, фазовой модуляции электрических сигналов.
-
Создана новая конструкция и технология изготовления планарных порошковых ЭЛК, совместимая с современными технологиями полупроводниковой электроники. Установлена теоретически и экспериментально проверена математическая модель процесса скорости ионизации полем центров свечения в ЭЛК.
-
Разработана новая экспериментальная методика определения глубины центров захвата порошковых полупроводниковых материалов с рекомбинационным типом свечения методом термостимулированной ёмкости (ТСЕ). Методом ТСЕ экспериментально обнаружено явление переселения носителей заряда в люминофоре через примесные уровни без выхода их в зону проводимости.
-
В созданных структурах обнаружено явление оптической памяти. Предложено новое многофункциональное оптоэлектронное устройство, обеспечивающее совмещений функций излучения, приема оптических сигналов и их запоминания.
Практическая ценность результатов.
Результаты теоретического анализа и проведенных экспериментальных исследований фотоэлектрических явлений в полупроводнике при динамическом возбуждении расширяют существующие представления о физических процессах поглощения света в полупроводнике и функциональных свойствах фоторезистивных структур. В процессе работы получены следующие практические результаты:
1. Разработаны новые методики для исследования кинетики фотопроводимости; разделения сложных спектров фотолюминесценции, электролюминесценции, фотопроводимости на элементарные полосы. Получен новый способ Фурье-анализа кинетики фотопроводимости.
2. Предложен фотонный аналог транзистора на основе фоторезистора, обеспечивающий прямое аналоговое перемножение оптических и электрических сигналов. Предложен экспериментальный способ Фурье-анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов с помощью фоторезистора. Получены патенты на новые конструкции передатчиков, модуляторов, анализаторов спектра электрических сигналов, обеспечивающие значительное упрощение конструкции и имеющие более низкий коэффициент нелинейных искажений по сравнению с аналогами.
3. Предложен новый способ гетеродинного приема оптических сигналов модулированных по оптической частоте с помощью фоторезистора, обеспечивающий совмещение гетеродинного приема с синхронным детектированием оптических сигналов.
4. Предложена новая конструкция и технология изготовления электролюминесцентного источника света и оптической памяти. Практические результаты исследований отражены в авторском свидетельстве на изобретение.
5. Создана новая экспериментальная методика определения глубины центров захвата в люминофорах с рекомбинационным типом свечения. Определена зонная схема люминофора ZnS-In.
Практические результаты работы составили основу 5 патентов на изобретение и полезные модели.
Основные положения и результаты, выносимые автором на защиту:
-
Экспериментальный метод определения параметров кинетики фотопроводимости по измерению среднего значения фототока.
-
Экспериментальные исследования и математические модели функциональных свойств фоторезистора, обеспечивающего совмещение функций приёма и обработки оптических сигналов. Аналоговый прямой перемножитель оптических и электрических сигналов на основе фоторезистора. Математические модели и экспериментальные исследования устройств, выполненных на основе фоторезистора; синхронного детектора и анализатор спектра гармоник оптических сигналов модулированных по интенсивности, гетеродинного приёмника и детектора оптических сигналов модулированных по оптической несущей.
-
Фотонный аналог транзистора на базе резисторного оптрона. Математические модели и экспериментальные исследования амплитудных, балансных и фазовых модуляторов электрических сигналов, синхронных детекторов амплитудно, частотно и фазомодулированных электрических сигналов, анализатора спектра электрических сигналов, выполненных на основе фоторезистора. Математические модели и экспериментальные исследования нелинейных искажений, вносимых фоторезистором в регистрируемый сигнал.
-
Конструкция и технология изготовления щелевых планарных электролюминесцентных конденсаторов на основе порошковых люминофоров. Экспериментальные исследования и математические модели кинетики скорости генерации носителей и кинетики процессов свечения электролюминесценции.
-
Математическую модель и методику ёмкостного метода определения глубины центров захвата в порошковых люминофорах с рекомбинационным типом свечения.
-
Экспериментальные исследования и математические модели эффекта оптической памяти в щелевых планарных МДПДМ структурах на основе широкозонных полупроводников.
Апробация. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на 8-ой Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Москва, 1978); на 2-м Всесоюзном совещании по широкозонным полупроводникам (Ленинград, 1978); на Республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ужгород, 1979); на 2-м Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980); на V Всесоюзном совещании «Физика и техника применения полупроводников А2В6» (Вильнюс, 1983); на IХ Всесоюзной конференции по светотехнике (Рига, 1987); на VI Всесоюзном совещании «Физика, химия и технология люминофоров» (Ставрополь, 1989); на II Всесоюзном совещании «Материалы для источников света и светотехнических изделий» (Саранск, 1990); на VII Всесоюзном I Международном совещании «Физика, химия и технология люминофоров» (Ставрополь, 1992); на Международной конференции «Осветление -96» (Варна, Болгария, 1996); на Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации». (Кисловодск, 1996г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997); на III Всерос. науч. – технич. конф. Светоизлучающие системы. Эффективность и применение. (Саранск, 2001г.); на V международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2003г.); на 3-ой межрегион. науч. шк. для студ. и аспирантов «Материалы нано- микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, октябрь, 2004 г.); на научной сессии, посвященной дню радио (Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, (Москва, 17-19 мая, 2005 г); на 7-ой Всерос. молодеж. науч. шк., «Материалы нано- микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, октябрь 2008г.)
Публикации. Материалы диссертации отражены в 45 работах и защищены 2 патентами на изобретения и 3 патентами на полезные модели.
Личный вклад автора. Автору принадлежит выбор и обоснование путей развития основных направлений исследований по теме работы, постановка задач, создание экспериментальных установок и методик исследования. Проведение экспериментальных исследований, разработка и изготовление опытных образцов выполнены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. В совместных публикациях соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, объяснении и обосновании с физической точки зрения рассматриваемых процессов и явлений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 283 стр., включая 137 рис. и 16 таблиц. Список литературы состоит из 164 наименований.
