DD152638A1 - Resonanzabsorber - Google Patents

Abstract

Resonanzabsorber beispielsweise zur Anwendung bei Halbleiter-Photodioden, Photowiderstaenden, Wellenleiter-Lasern, irreversiblen optischen Aufzeichnungsmedien und photothermischen Wandlern fuer Solarenergie. Insbesondere handelt es sich um Resonanzabsorber aus Materialien mit Absorptionskoeffizienten kleiner als 1. Ziel der Erfindung sind solche Resonanzabsorber, welche die auftreffenden Photonen bzw. die auftreffende elektromagnetische Strahlung innerhalb des maessig oder schwach absorbierenden Materials nahezu vollstaendig absorbieren, wobei der Bereich, in dem die nahezu vollstaendige Absorption stattfindet, klein gegenueber der normalen Eindringtiefe des gleichen Materials bei derselben Wellenlaenge ist. Das Ziel wird erreicht durch die zumindest einseitige Begrenzung des Absorbers mit Interferenzschicht-Kombinationen, wobei deren optische Eigenschaft und die optischen Parameter des Absorbermaterials sowie die Absorberlaenge durch quantitative Beziehungen miteinander verknuepft werden.

Description

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Titel: Rosonanzabsorber ·

An. we η d t in g s g e b i c t der Er Γ in dung·: ,

Die Erfindung betrifft Rosonanzabsorbor aus mäßig odor schwach absorbierenden optischen Materialien, beispielsweise aus Halbleitermaterialien, zur Umwandlung von Photononenergie bzw. von elektromagnetischer Strahlungsenergie in andere Energieformen in der Anwendung auf Halb- \ leiter-Photodioden, Photowidorstände, ¥ellenleiterlaser , irreversible optische AufZeichnungsmedien, photοthermische ¥andler für Solarenergio und änderte physikalische Funktionselomente.

Charakter der bekannten technischen Lösungen: Absorber aus mäßig oder schwach absorbierenden Materialien für auftreffende Photonen bzw, elektromagnetische Strahlung sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie besitzen häufig eine geometrische Ausdehnung in der Größenordnung der Eindringtiefe der Photonen bzw. der elektromagnetischen Strahlung, wobei die Eindringtiefe definiert ist als die Weglänge, längs welcher die Anzahl der Photonen bzw. die

-kTT Strahlungsintensität auf den Bruchteil e abgenommen hat.

Da die Strahlungsintensität I in Substanzen mit dem Absorptionskoeffizienten k bekanntlich nach dem Gesetz I=I exp{- -™-kx) abklingt, wobei I die Intensität an der

⁰ Λ ο

Stelle x=0 darstellt, χ die von der Strahlung zurückgelegte Ifoglänge und Adio "Wellenlänge dei' elektromagnetischen Strahlung ist, wird die Eindx-ingtiefe x„ = A/k, Auf Grund der an

Ü/

Grenzflächen absorbierender Materialien auftretenden Reflexion wird die auf die Obeirflächa auf tr offen de Strahlung nur unvollständig absorbiert. Häufig werden daher die bekannten

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Verfahren zur Reflexionsverminderung angewandt, so daß dann bis nahe 100 % der auftreffenden Strahlung in den Absorber eintreten und längs der Eindringtiefe absorbiert werden.

In zahlreichen Absorberanordnungen vollziehen sich jedoch die physikalischen Prozesse, die durch die Photonen- bzw« Strahlungsabsorption ausgelöst werden, in einem Teilbereich des absorbierenden Materials, der klein gegenüber der Eindringtiefe ist, beispielsweise in der unmittelbar an die Oberfläche des Absorbers angrenzenden Zone, Der außerhalb · -dieser Zone absorbierte Energieanteil geht dann dem gewünschten Prozeß verloren. Das macht sich zum Beispiel sehr nachteilig bei Halbleitersubstanzen in Wellenlängenbereichen bemerkbar, in denen kleine Absorptionskoeffizienten und damit große Eindringtiefen auftreten,

Es könnten deshalb absorbierende Anordnungen als Resonanzabsorber mit relativ geringer Ausdehnung ausgebildet werden, deren Begrenzungsflächen teildurchlässig reflektieren, so daß sich zwischen diesen Flächen im absorbierenden Material stehende Wellen ausbilden. Trotz ihres Vorteils einer relativ geringen Absorberlänge wurden derartige Resonanz- absorber aus mäßig oder schwach absorbierenden Materialien die Ansprüche nur ungenügend erfüllen. Auch wenn die Reflexion der vorderen Begrenzungsfläche von außen durch Entspiegelungsmaßnahmen sehr weitgehend herabgesetzt wird und die hintere Begrenzung etwa durch eine hochreflektierende dicke Metallschicht, abgeschlossen wird, die bewirkt, daß durch das Gesamtsystem keine Strahlungsenergie mehr hindurchtritt, so wird innerhalb des Resonanzabsorbers dennoch die auftreffende Strahlung nur unvollkommen absortiert, da ein erheblicher Teil der Strahlungsenergie aus dem Resonanzabsorber in das Metall eintritt und dort absorbiert wird, also nicht dem gewünschten physikalischen Prozeß in dem funktionsbestimmenden Absorber, zum Beispiel dem Halbleiter, zugute kommt,

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Ziel der Erfindung:

Durch die Erfindung soll ein Resonanzabsorber kleiner Ausdehnung geschaffen werden, bei dem die verfügbare Strahlungs- bzw. Fnotonenenergie vollständig oder zumindest nahezu vollständig für den Snergieumwandlungsprozeß im absorbierenden Material verwendet wird.

Darlegung des Y/esens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonanzabsorber zur Absorption auftreffender Photonen oder elektroma'gnetischer Strahlung zu schaffen, bei dem der räumliche Absorptionsbereich auf eine solche Zone des absorbierenden Materials eingeengt ist, die für die Energieum- Wandlung technisch relevant ist

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe unter Verwendung eines absorbierenden Materials mit einem geringen, vorzugsweise unter 1 liegenden Absorptionskoeffizienten und von zumindest an der Rückseite des Absorptionsmaterials anliegenden Interferenzschichten dadurch gelöst, daß die Absorberlänge d = m · λ/4-η durch m als der einem Zahlwert 2n„/iTk am nächsten liegenden ganzen Zahl festgelegt ist, wobei die ?/ellenlänge λ den Schwerpunkt eines bestimmten, auswählbaren spektralen Absorptionsbereiches darstellt, bei der das Absorbernaterial die Brechungszahl η und den Absorptionskoeffizienten k hat und n_g die Brechungszahl eines dem Absorptionsmaterial vorgelagerten ausgedehnten Mediums ist. Die an der Rückseite des Absorptionsmaterials anliegenden Interferenzschichten haben jede eine Dicke von λ/4 und weisen abwechselnd niedrige und hohe Brechungszahl bei geradem m oder abwechselnd hohe und niedrige Brechnungszahl bei ungeradem m auf. Die Anzahl der /} /4-Interferenzschichten ist so gewählt, daß sich gemäß dem Brechungszahl-Äquivalenzprinzip (Jenaer Jahrbuch 1954 2. Teil Seite 436, Gustav-Fischer-Yerlag Jena) eine äquivalente Brechungszahl eines rückwärtigen optischen Außen- mediums von nahezu 0 bei geradem m oder von einem gegen

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strebenden Wert bei ungeradem m einstellt. Durch die Erfindung wird der Bereich, in dem die Photonen oder die elektromagnetische Strahlung zumindest nahezu vollständig absorbiert wird, klein gegenüber der normalen Eindringtiefe in das gleiche Absorptionsmaterial bei derselben Wellenlänge. Das Absorptionsmaterial kann als Schicht oder Platte ausgebildet sein'oder eine andere geometrische Struktur aufweisen, wenn diese nur allen Teilbündeln der auftreffenden Strahlung ermöglicht, von ihrem Eintritt .in den Absorber bis zu ihrem Austritt die gleiche Weglänge zurückzulegen.

Zur Variation der optimalen Absorberlänge innerhalb weiter Grenzen können zwischen dem Absorptionsmaterial und einem vorgelagerten optischen Außenmedium ebenfalls % /^l\— Interferenzschichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungszahlen oder -abwechselnd hohen und niedrigen Brechungszahlen angeordnet sein. Diese Interferenzschichten erzeugen die zur Einstellung der gewünschten Absorberlänge erforderlichen äquivalenten Außenbrechungszahlen. Damit ist die Absorberlänge innerhalb von sehr viel weiteren ' Grenzen variierbar als dies durch unmittelbare Brechungszahlvariation eines ausgedehnten vorgelagerten einfachen optischen Mediums möglich wäre

Die Interferenzschichten sowie die Absorberlänge bzw. die Weglängen für die Teilbündel sind so aufeinander abgestimmt, daß die effektive Sindringtiefe der Strahlung in den Absorber herabgesetzt und damit eine hohe Volumendichte der vollständig oder nahezu vollständig absorbierten Photonen- bzw. Strahlungsenergie erreicht wird.

AusführungsbeispieIe;

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der schematischen, nicht maßstabsgetreuen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. I.ein erstes Ausführungsbeispiel und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

In 5"ig· 1 besteht eine Resonanzabsorberschicht 1 aus amor-

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phem Silizium; sie wird nach einer der bekannten Herstellungstechnologien erzeugt. Elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge !A = 0,920/um trifft in einem vorgelagerten Außenmedium 3 der Brechungszahl n_Q =1.0 senkrecht odernahezu senkrecht auf die vordere Begrenzungsfläche der Resonanzabsorberschicht 1 auf. Eine hinterlegte Interferenzschichtenfolge 4, die zwischen der Resonanzabsorberschicht 1 und einem ausgedehnten rückwärtigen Außenmediura der Brechungszahl n, = 1.52 angeordnet ist, besteht aus vier Schichtpaaren. Jedes Schichtpaar ist aus einer niedrigbrechenden Interferenzschicht 41 (Brechungszahl η = 1.38) und einer hochbrechenden Interferenzschicht (Brechungszahl n^ = 2.3) zusammengesetzt. Die Dicke jeder einzelnen Interferenzschicht beträgt d = /\/4n bzw. d = 7t /^zta-, · Damit errechnet sich auf Grund des bekannten Äquivalenzprinzips für Brechzahlen dünner optischer Schichten aus der Formel n_K ·♦ „ = (η /η, )^ρ·η, ( mit ρ .

υ, ctqu η χι υ

= Anzahl der Schichtpaare) die wirksame Brechungszahl für das rückwärtige Außenmedium zu n, »£** 0.026, also zu einem.Wert, der entsprechend den Merkmalen der Erfindung ' hinreichend nahe bei Null liegt. Brechungszahl η und Absorptionskoeffizient k der Siliziumschicht betragen bei der Wellenlänge λ= 0,920,um η = 3.80 und k = 0,01. Dementsprechend ergibt sich ?;egen n_g =1.0 aus der erfindungs gemäße η Beziehung m ^ 2n_a/7Γ k = 63,66 der nächstliegende ganzzahlige Wert m = 64, und damit wird die optische Dicke der Resonanzabsorberschicht 1 nd = m λ /4 = 64 λ /4 und die geometrische Dicke d = m Λ An = 3j874 /Um,

Da die genaue Einstellung der optischen Absorberlänge, das heißt der Resonanzabsorberschichtdicke, auf direktem Wege kompliziert ist, kann während der Beschichtung in bekannter Weise der mit wachsender Schichtdicke Maxima und Minima aufweisende Reflexionsgrad bei der Wellenlänge λ = O,92O/Um gemessen und der Beschichtungsprozeß abgebrochen werden, sobald das tiefste Reflexionsminimum er-

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reicht -ist« Für dieses Ausführungsbeispiel eines erfinclungsgemäßen Resonanzabsorbera läßt sich ein Transmissionsg'rad von ungefähr 2 % und ein Reflexionsgrad von weniger als 10~3 % ermitteln, so daß also ungefähr. 98 % der auf*- treffenden Strahlung in der Resonansabsorberschicht der Schichtdicke 3j874yum absorbiert werden.

Gemäß Fig. 2 besteht eine Resonanzabsorberschicht 6 ebenfalls aus amorphem Silizium mit der Brechungszahl η = und dem Absorptionskoeffizienten k = 0,01 bei der Wellenlänge A = 0,920/um einer senkrecht oder nahezu senkrecht auftreffenden elektromagnetischen Strahlung 7· Eine hinterlegte Interferenzschichtenfolge 8 ist aus acht Interferenzschichtpaaren, bestehend aus je einer niedrig- und einer hochbrechenden Interferenzschicht 81, 82 und angeordnet zwischen der Resonanzabsorberschicht 6 und einem Außen-Biedium 9 der Brechungszahl n, = 1.52, zusammengesetzt, so daß.eine wirksame Brechungszahl für das rückwärtige Außenmedium 9 iK·· , kleiner als 10 ^J folgt* Pur m wurde der Zahlenwert 2 festgelegt, um die sehr kleine Absorberschichtdicke d = m · λ An = 9^/2n = 0,121 ,um zu realisieren. Damit ergibt sich aus der Beziehung m c^2n_Q/ 1Γ k für die wirksame äquivalente Brechungszahl eines vorderen Außenmediurns 11 (Luft) n_Q » „ «* TTk = 0,0314-, was durch Einschalten einer Interferenzschichtenfolge 1C aus drei Paaren je einer niedrig- und einer hochbrechenden Interferenzschicht 101, 102 zwischen die Resonanzabsorberschicht 6 und das ausgedehnte vordere Außenmediura 11 angenähert werden kann.

Daraus ergibt sich für das zweite Ausführungsbeispiel ein Transmissionsgrad von nahezu Null, ein Reflexionsgrad von etwa 10"-⁷ und damit eine Absorption von nahezu 100 % innerhalb der Resonanzabsorberschicht von wenig mehr als 100 nrn Dicke.

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Claims (3)

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   Erfind_unp;sanspruch_:

   1. Resonanzabsorber zur Absorption auftreffender Photonen oder elektromagnetischer Strahlung, der aus einem Absorptionsmaterial mit einem Absorptionskoeffizienten vorzugsweise kleiner als 1 besteht, dein ein ausgedehntes optisches Außenmedium vorgelagert und nachgeordnet ist, und der zwischen dem Absorptionsmaterial und zumindest dem nachgeordneten Außenmedium optische Inter-

   ferenzschichten enthält, gekennzeichnet dadurch, daß die Absorberlänge d = m · λ An durch m als der einem Zahlenwert 2n_Q/ ir k am nächsten liegenden ganzen Zahl festgelegt ist, wobei die Wellenlänge λ den Schwerpunkt eines bestimmten spektralen Absorptionsbereichs darstellt, bei welcher das Absorbermaterial die Brechungszahl η und den Absoi'Otionskoeffizienten k hat und n_o die Brechungszahl eines vorgelagerten ausgedehnten Mediums bedeutet und daß die an der Rückseite anliegenden Interferenzschichten je eine Dicke von Λ /4 haben und abwechselnd niedrige und hohe Brechungszahl bei _r geraden m oder abwechselnd hohe und niedrige Brechungszahl bei ungeraden m aufweisen.
2. 2. Resonanzabsorber nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Absorptionsmaterial und dem vorgelagerten Außenmedium ^/4-Interferenzschichten mit abwechselnd niedrigen und hohen Brechungszahlen oder abwechselnd hohen und niedrigen Brechungszahlen angeordnet sind.
3. 31. 3. 1980

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