Инфракрасный фотодетектор

Полезная модель относится к оптоэлектронным элементам, а именно, к инфракрасным фотодетекторам, и может быть использована для детектирования интенсивности электромагнитного излучения в таких областях применения, как оптические коммуникации, оптические вычисления, системы машинного зрения и ночного видения.
Известен инфракрасный фотодетектор с пластинчатым волноводом [1], представляющий собой многослойную структуру с поглощающим слоем, покрытый слоем с дифракционной решеткой. Данная дифракционная решетка предназначена для направления излучения в волновод. Недостатком данного устройства является низкая чувствительность фотодиода за счет поглощения света в слое с дифракционной решеткой и отражения света на границе слоя с дифракционной решеткой и поглощающего слоя.
Известно устройство для ввода излучения в фотодетектор [2], представляющее собой двумерную дифракционную решетку, наносимую на фотодетектор с поглощающим слоем из квантовых ям. Дифракция излучения на решетке позволяет направить его повторно на поглощающий слой. Недостатком данного устройства является низкая чувствительность фотодиода за счет поглощения света в слое с дифракционной решеткой и отражения света на границе слоя с дифракционной решеткой и поглощающего слоя.
Техническим решением, наиболее близким к заявленному устройству, является инфракрасный фотодетектор [3], принятый в качестве прототипа. Фотодетектор представляет собой слоистую структуру, содержащую поглощающий слой из квантовых ям на подложке. На поверхности поглощающего слоя расположен плоский дифракционный элемент с одноступенчатой периодической структурой. При падении света на фотодетектор по нормали к поглощающему слою, дифракционный элемент формирует распределение интенсивности света с преобладающими компонентами, близкими к параллельным к плоскости поглощающего слоя. При этом, компоненты, близкие к перпендикулярным к плоскости поглощающего слоя, подавлены. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что они представляют собой слоистую структуру с поглощающим слоем из квантовых ям, в котором падающий свет дифрагирует в направлении, параллельном плоскости поглощающего слоя.
Основным недостатком известного технического решения низкая чувствительность фотодиода за счет поглощения света в слое с дифракционной решеткой и отражения света на границе слоя с дифракционной решеткой и поглощающего слоя.
Заявленная полезная модель свободна от указанного выше недостатка, и ее технический результат состоит в повышении чувствительности фотодиода.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели дифракция света в направлении параллельном плоскости поглощающего слоя достигается путем дифракции света на самом поглощающем слое, имеющем периодическую пространственную модуляцию спектральной ширины оптического резонанса в квантовой яме, определяемую по формуле:
ΔЕ(х)=ΔE(x+L),
где ΔЕ - спектральная ширина оптического резонанса,
L - период изменения спектральной ширины,
х - координата по оси, направленной вдоль поглощающего слоя.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1-2.
Схема заявленного устройства пояснена на Фиг. 1. Устройство состоит из последовательно расположенных слоев подложки 1, поглощающего слоя 2, выполненного в виде квантовой ямы, и покрывающего слоя 3. Оптический резонанс в слое 2 имеет спектральную ширину ΔЕ. Спектральная ширина меняется периодически вдоль оси х в соответствии с законом ΔE(х)=ΔE(x+L), где L - период изменения спектральной ширины, х - координата по оси, направленной вдоль поглощающего слоя.
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. На устройство из верхнего полупространства падает свет с интенсивностью I. Свет проходит покрывающий слой и попадает на слой с оптическим резонансом. В условиях несовпадения частоты света с частотой оптического резонанса квантовой ямы, свет беспрепятственно проходит через устройство.
При условии приближения частоты света к частоте оптического резонанса квантовой ямы, свет испытывает дифракцию на слое с оптическим резонансом по причине пространственной периодичности неоднородности его спектральной ширины ΔЕ. Период L выбирается таким образом, чтобы дифрагировавшее излучение D распространялось в плоскости поглощающего слоя. Таким образом, достигается поглощение не только доли падающего света I, но и дифрагировавшего излучения D, за счет чего повышается чувствительность фотодетектора.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждена возможность пространственной модуляции спектральной ширины оптического резонанса в поглощающем слое, и продемонстрирован эффект дифракции излучения, что позволит увеличить чувствительность фотодетектора на основе такого поглощающего слоя.
0
1
0.02
0.98
+
10
Пример. На Фиг. 2 показана полученная в результате эксперимента картина дифракции на экране в дальнем поле для температуры образца 10 К, падения света длиной волны 0.81973 мкм под углом 74.5° с поляризацией в плоскости падения. На Фиг. 2 используются следующие обозначения: r - нулевой дифракционный рефлекс (отражение под углом 74.5°), r - первый дифракционный рефлекс (под углом 62°). Эксперимент был проведен на образце с квантовыми ямами InGaAs с толщинами 2, 3 и 4 нм, расположенными между барьерами GaAs толщиной 150 нм, и выращенными на подложке GaAs, облученной до роста структуры массивом из 41 полосы длиной 400 мкм и шириной 0.8 мкм с шагом 9 мкм с помощью пучка ионов Ga с энергией 30 кэВ и дозой 10 1/см.
Приведенная на Фиг. 2 картина дифракции возникает при периодической пространственной модуляции спектральной ширины оптического резонанса экситона в квантовой яме толщиной 2 нм. Таким образом, продемонстрирована возможность отклонения с помощью дифракции части прошедшего через поглощающий слой излучения, что позволяет повысить чувствительность фотодетектора, и подтверждает применимость предложенной полезной модели.
Технико-экономическая эффективность заявленной модели состоит в том, что предлагается инфракрасный фотодетектор с чувствительностью, повышенной по сравнению с прототипом. Увеличение чувствительности фотодетектора позволит уменьшить мощность источников излучения, что приведет к снижению стоимости изготовления приборов для оптических коммуникаций и оптических вычислений.
Список использованной литературы:
1. Austin J. Brouns // Photodetector Employing Slab Waveguide Modes // Патент США US 2006/000097.6 A1, 05.01. 2006.
2. Jan Andersson; Lennart Lundqvist // Method Of Coupling Radiation In An Infrared Detector, And An Arrangement Herefor // Патент США 5,229,614, 20.07.1993.
3. Prafulla Masalkar // Infrared Photodetector And Method Of Manufacturing The Same // Патент США US 6,441,373 B1, 27.08.2002.// (Прототип).