Для получения спектральных характеристик излучения источников света и снятия спектральных зависимостей коэффициента отражения или пропускания пленок [4–5] в данной установке был использован разработанный на кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ управляемый от ПК спектрометр [6–7] с ПЗС-фотоприемником [8].

Как правило, для измерения спектрального коэффициента отражения пленок используют источник света, имеющий сплошной спектр излучения. В данном случае использована лампа накаливания в качестве основного источника излучения и белый люминофорный светодиод, как дополнительный. Излучение от источника направляется в волоконно-оптический жгут (коллектор), который изготавливается из двух отдельных жгутов, сплетаемых вместе с одного конца (рисунок 1). Свет из одного жгута может попасть в другой жгут только в том случае, если он выйдет из торца, образованного переплетенными жгутами и отразится от какого-либо объекта назад, в направлении торца.

Рисунок 1 – Оптическая схема исследования оптических свойств пленок по отраженному спектру

Если расположить напротив торца исследуемую пленку, то спектр ее отражения создаст модуляцию интенсивности спектрального распределения мощности в исходном пучке. Данный сигнал по второй ветви жгута достигает входной щели спектрометра, где происходит разложение на спектральные составляющие. Общий вид разработанной лабораторной установки представлен на рисунке 2,
где 1 – спектрометр с ПЗС-фотоприемником, 2 – штатив осветителей, 3 – подвижный держатель штатива осветителей, 4 – волоконно-оптический жгут осветителя-приемника для режима нормального падения, 5 – зеркало, 6 – исследуемый образец, 7 – лампа накаливания, 8 – светодиод, 9 – тумблеры включения лампы накаливания и светодиода.

Рисунок 2 – Общий вид экспериментальной установки для исследования оптических параметров пленок

Данная установка предназначена в первую очередь для измерения толщины и оптических параметров тонких пленок по свидетелю в отраженном спектре, однако может использоваться и для проведения исследований в проходящем спектре. Для этого необходимо установить образец непосредственно напротив отверстия источника излучения. Туда же подводится и волоконно-оптический жгут спектрометра.

Полученные спектры отображаются на экране ПК с помощью программы Aspect2010, которая позволяет производить различные операции по обработке спектров и управлению спектрометром [6–7]. Для проведения измерений по проходящему спектру достаточным оказывается установка чувствительности в 50 мс. При исследованиях отраженного спектра наблюдаются значительные потери в волоконно-оптическом жгуте, что требует увеличения чувствительности в 8–10 раз.

Для проверки разработанной лабораторной установки были сняты спектры нескольких отличающихся по составу и толщине тонких пленок в проходящем и отраженном свете. На рисунке 3 представлен спектр пропускания пленки гидрогенизированного кремния α-Si:H на фоне спектра источника излучения – лампы накаливания.

Рисунок 3 – Спектральная характеристика пропускания пленки α-Si:H на стекле (2) и спектр излучения источника – лампы накаливания (1)

На полученном спектре хорошо видно разделение на две области: с высоким поглощением, когда интерференция в пленке невозможна (до 550 нм), и с низким, благоприятствующим интерференции (550…850 нм) [9]. Таким образом, данный спектр подходит для проведения исследований по методу спектральной интерферометрии. Однако, для проведения вычисления параметров пленки необходима предварительная обработка полученного спектра: нормировка, путем деления исследуемого спектра на спектральное распределение интенсивности сигнала в канале измерений. Аналогичный спектр, но при использовании светодиода представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Спектральная характеристика пропускания пленки α-Si:H на стекле (2) и спектр излучения источника – белого светодиода (1)

Спектр, полученный с помощью лампы накаливания, имеет несколько четко выраженных максимумов и минимумов, т. е. подходит для обработки методом спектральной интерферометрии. В случае использования светодиода, полученный спектр содержит лишь один четкий максимум. Иными словами, полученный спектр не несет полезной информации о пленке. Можно сделать вывод, что использовать в качестве источника излучения светодиод можно лишь для крайне ограниченного списка материалов, даже в сравнении с лампой накаливания.

Разработанная установка позволяет проводить исследования оптических параметров пленок методом спектральной интерферометрии не только в отраженном, но и в проходящем свете. Однако, если для съемки в отраженном свете, установка оснащена штативом волоконно-оптического жгута осветитель-приемник, а образец помещается на ровную поверхность, что обеспечивает нормальное падение лучей на пленку, то при съемке в проходящем свете образец необходимо держать перед отверстием источника излучения. Нормальное падение лучей на пленку оказывается крайне важным для нахождения показателя преломления, т. к. значительно упрощает расчеты.

Возможностью для улучшения установки является увеличение интенсивности излучения на краях спектра для увеличения отношения сигнал/шум. Данную проблему можно решить, если заменить лампу накаливания на иной источник излучения, покрывающий всю необходимую область спектра. Как показали приведенные выше исследования, использование белого люминофорного светодиода на основе синего светодиода и желтого люминофора не дает результатов, т. к. область длин волн, в которой поглощение в исследуемых пленках изменяется от ничтожно малого (благоприятствующее интерференции) до высокого (интерференция невозможна) либо вовсе не совпадает с областью излучения светодиода, либо находится на ее краю.

При изменении температуры меняются многие параметры СД, указанные производителем для комнатной температуры при том, что устройства на СД обычно предназначены для работы в широком температурном диапазоне.

С увеличением температуры интенсивность излучения СД падает за счет следующих факторов:

– безызлучательная рекомбинация через глубокие примесные уровни;

– рекомбинация на поверхности;

– потери носителей заряда в барьерных слоях гетероструктур.

В рамках данной работы были исследованы параметры СД различающихся по конструкции (планарные и выводные), а также цветовому диапазону излучения. Рассмотрим шесть светодиодов – по два красного (СД1, СД2), зеленого (СД3, СД4) и синего (СД5, СД6) цвета излучения. Экспериментальные вольтамперные характеристики данных СД представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Вольтамперные характеристики исследованных СД

На рис. 2 представлены зависимости максимальной интенсивности исследованных СД от рабочего тока. Для получения световых и цветовых характеристик СД использовались разработанные на кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ оптический спектрометр ISM3600 и программное обеспечение Aspect2010 [9-12]. Можно отметить, что с ростом тока интенсивность излучения растет практически линейно.

Рисунок 2. Зависимости максимальной интенсивности излучения от протекающего тока

Зависимости максимальной интенсивности излучения от температуры для различных СД представлены на рис. 3. Падение интенсивности излучения с увеличением температуры объясняется повышением роли безызлучательной рекомбинации. Работа СД связана с протеканием электрического тока через p–n-переход кристалла и рекомбинацией носителей зарядов [13]. Таким образом, кроме влияния температуры окружающей среды, необходимо учитывать собственный нагрев кристалла в результате протекания тока.

Рисунок 3. Зависимости максимальной интенсивности излучения от температуры

Не менее важной характеристикой для индикаторных СД является доминирующая длина волны, т. е. выраженный в виде длины волны основной цвет излучения СД воспринимаемый человеческим глазом [14-16]. Зависимости доминирующей длины волн от тока и температуры для исследованных СД представлены на рис. 4, 5.

Рисунок 4. Зависимости доминирующей длины волны излучения от протекающего тока

Рисунок 5. Зависимости доминирующей длины волны излучения от температуры

Основным характеристикой, определяющей доминирующую длину волны излучения СД, является ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен кристалл СД. С увеличением температуры можно наблюдать смещение спектра излучения СД, а вместе с ним и доминирующей длины волны в область больших длин волн (меньших энергий).

Температурные зависимости были получены для относительно небольшого участка вблизи комнатной температуры. Данный факт связан с тем, что индикаторные СД наиболее часто используются именно в данном температурном диапазоне. При этом характер полученных зависимостей достаточно близок к линейному, что позволяет без существенных погрешностей аппроксимировать характеристики в области больших и меньших температур.

Проведенные в рамках данной работы исследования позволяют сделать следующие выводы:

– интенсивность излучения СД практически линейно уменьшается с ростом температуры, что может быть частично компенсировано увеличением протекающего через СД тока (при этом стоит учесть, что больший ток приведет к дополнительному нагреву СД);

– с ростом тока доминирующая длина волны сперва резко возрастает, что скорее всего связано с нагревом в результате протекания тока через кристалл, а далее после стабилизации температуры практически не изменяется;

– доминирующая длина волны излучения СД с ростом температуры возрастает, при этом ее изменение для некоторых образцов СД достаточно существенно, что будет заметно при визуальном наблюдении (человеческий глаз способен распознать изменение цвета при сдвиге доминирующей длины волны примерно на 2 нм).