DD152638A1 - RESONANCE ABSORBER - Google Patents
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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.Resonant absorber, for example, for use in semiconductor photodiodes, photoresistors, waveguide lasers, irreversible optical recording media and photothermal transducers for solar energy. In particular, it is resonance absorber made of materials with absorption coefficients less than 1. The object of the invention are those resonance absorbers, which absorb the incident photons or the incident electromagnetic radiation within the moderately or weakly absorbing material almost completely, the area in which the almost absorption is complete, small compared to the normal depth of penetration of the same material at the same wavelength. The goal is achieved by the at least one-sided boundary of the absorber with interference layer combinations, wherein their optical property and the optical parameters of the absorber material and the absorber length are linked by quantitative relationships.
Description
220 110 -220 110 -
Titel: Rosonanzabsorber · Title: Rosonance absorber ·
An. we η d t in g s g e b i c t der Er Γ in dung·: ,On. we η dt in gsgebict the Er Γ in formation · ,
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.The invention relates to Rosonanzabsorbor of moderately odor weakly absorbing optical materials, such as semiconductor materials, for the conversion of photon energy or electromagnetic radiation energy into other forms of energy in the application to semi-conductor photodiodes, Photowidorstände, ellen waveguide laser, irreversible optical recording media, photothermal ¥ andler for solar energio and changed physical functional moments.
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 Characteristics of the known technical solutions: absorbers of moderately or weakly absorbing materials for incident photons or, electromagnetic radiation are known in numerous embodiments. They often have a geometric extent in the order of magnitude of the penetration depth of the photons or the electromagnetic radiation, wherein the penetration depth is defined as the path length, along which the number of photons or the
-kTT Strahlungsintensität auf den Bruchteil e abgenommen hat. -kTT radiation intensity has decreased to the fraction e.
Da die Strahlungsintensität I in Substanzen mit dem Absorptionskoeffizienten k bekanntlich nach dem Gesetz I=I exp{- -™-kx) abklingt, wobei I die Intensität an derSince the radiation intensity I in substances with the absorption coefficient k is known to decay according to the law I = I exp {- - ™ -kx), where I is the intensity at the
0 Λ ο 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 anIf x = 0, χ is the length of the radiation traveled by the radiation and Adio is the "wavelength of the electromagnetic radiation, the penetration depth x" = A / k
Ü/Ü /
Grenzflächen absorbierender Materialien auftretenden Reflexion wird die auf die Obeirflächa auf tr offen de Strahlung nur unvollständig absorbiert. Häufig werden daher die bekanntenInterfacial reflection occurring absorbent materials, the absorbed only incompletely to the Obeirflächa to open tr de radiation. Frequently, therefore, the known
2 2 0 112 2 0 11
Verfahren zur Reflexionsverminderung angewandt, so daß dann bis nahe 100 % der auftreffenden Strahlung in den Absorber eintreten und längs der Eindringtiefe absorbiert werden.Apply method for reflection reduction, so that then enter close to 100% of the incident radiation in the absorber and absorbed along the penetration depth.
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,However, in many absorber arrangements, the physical processes triggered by photon or radiation absorption occur in a portion of the absorbent material which is small in size compared to the penetration depth, for example in the zone immediately adjacent to the surface of the absorber. -this zone absorbed energy share is then lost to the desired process. This is for example very detrimental to semiconductor substances in wavelength ranges noticeable in which small absorption coefficients and thus large penetration depths occur,
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,It would therefore be possible to form absorbent arrangements as resonance absorbers with a relatively small extent, the boundary surfaces of which reflect in a partially transparent manner, so that waves forming in the absorbing material between these surfaces form. Despite their advantage of a relatively short absorber length, such resonant absorbers made of moderately or weakly absorbing materials were insufficient to meet the requirements. Even if the reflection of the front boundary surface from the outside by antireflection is very largely reduced and the rear boundary is closed by about a highly reflective thick metal layer, which causes no radiation energy passes through the entire system, so within the resonance absorber is still the incident radiation only imperfectly sorted out, since a considerable part of the radiation energy from the resonance absorber enters the metal and is absorbed there, ie does not benefit the desired physical process in the function-determining absorber, for example the semiconductor.
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- 3 - 220 1 1- 3 - 220 1 1
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.The invention seeks to provide a small-amplitude resonant absorber in which the available radiant energy is used wholly or at least almost entirely for the energy conversion process in the absorbent material.
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 istIt is an object of the invention to provide a resonant absorber for absorbing incident photons or electromagnetic radiation in which the spatial absorption region is confined to such a zone of the absorbent material that is technically relevant to energy conversion
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 ng 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 gegenAccording to the invention, the object is achieved by using an absorbent material with a low, preferably below 1 absorption coefficient and at least on the back of the absorbent material adjacent interference layers in that the absorber length d = m · λ / 4-η by m as the one Numerical value 2n "/ iTk nearest integer, where the wavelength λ represents the center of gravity of a particular selectable spectral absorption region where the absorber material has the refractive index η and the absorption coefficient k and n g is the refractive index of an upstream of the absorbing material is extended medium. Each of the interference layers applied to the back of the absorbing material has a thickness of λ / 4 and alternately has low and high refractive indices at odd m or alternately high and low refractive indices at odd m. The number of /} / 4 interference layers is chosen so that according to the refractive index equivalent principle (Jenaer Yearbook 1954 2nd part page 436, Gustav-Fischer-Yerlag Jena) an equivalent refractive index of a rear optical outer medium of almost 0 at straight m or from one against
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-4- 220 1 1 0-4- 220 1 1 0
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.aspiring value at odd m. By the invention, the region in which the photons or the electromagnetic radiation is at least almost completely absorbed, small compared to the normal penetration into the same absorption material at the same wavelength. The absorption material can be formed as a layer or plate or have a different geometric structure if it allows only all sub-beams of the incident radiation to cover the same path length from their entry into the absorber until their exit.
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 wäreIn order to vary the optimal absorber length within wide limits, it is also possible to arrange % / 1 \ - interference layers with alternately low and high refractive numbers or alternately high and low refractive indices between the absorption material and an outer optical medium. These interference layers produce the equivalent external refractive indices necessary to set the desired absorber length. Thus, the absorber length is variable within much wider limits than would be possible by the direct refractive index variation of an extended upstream simple optical medium
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. The interference layers and the absorber length or the path lengths for the sub-beams are coordinated so that the effective Sindringtiefe the radiation reduced in the absorber and thus a high volume density of fully or almost completely absorbed photon or radiation energy is achieved.
AusführungsbeispieIe;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.The invention is explained in more detail below with reference to the schematic, not to scale drawing. 1 shows a first exemplary embodiment and FIG. 2 shows a second exemplary embodiment.
In 5"ig· 1 besteht eine Resonanzabsorberschicht 1 aus amor-In 5 "ig * 1, a resonance absorber layer 1 consists of amorphous
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- 5 - 220 1 1 0- 5 - 220 1 1 0
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 nQ =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 nK ·♦ „ = (η /η, )ρ·η, ( mit ρ .silicon; It is produced according to one of the known production technologies. Electromagnetic radiation of wavelength! A = 0.920 / μm strikes the refractive index n Q = 1.0 perpendicular or almost perpendicular to the front boundary surface of the resonant absorber layer 1 in an upstream outer medium 3. A deposited interference layer sequence 4, which is arranged between the resonance absorber layer 1 and an extended rear outer mediura of the refractive index n, = 1.52, consists of four layer pairs. Each layer pair is composed of a low-refraction interference layer 41 (refractive index η = 1.38) and a high-refraction interference layer (refractive index n = 2.3). The thickness of each individual interference layer is d = / \ / 4n or d = 7t / z ta-,. Thus, based on the known equivalence principle for refractive indices of thin optical layers from the formula n K · ♦ "= (η / η, ) ρ · η, (with ρ.
υ, ctqu η χι υυ, 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 ng =1.0 aus der erfindungs gemäße η Beziehung m ^ 2na/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,= Number of pairs of layers), the effective refractive index for the rear outer medium to n, "£ ** 0.026, that is, to a value which, according to the features of the invention, is sufficiently close to zero. The refractive index η and the absorption coefficient k of the silicon layer amount to λ = 0.920 at the wavelength λ = 3.80 and k = 0.01. Accordingly, if n g = 1.0, the closest integer value m = 64 results from the η relationship m ^ 2n a / 7Γk = 63.66, and thus the optical thickness of the resonance absorber layer becomes 1 = m λ / 4 = 64 λ / 4 and the geometric thickness 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-Since the exact adjustment of the optical absorber length, that is, the resonant absorber layer thickness, is complicated in a direct way, during the coating in a known manner, the reflectance with increasing layer thickness maxima and minima measured at the wavelength λ = O, 92O / Um and the coating process is terminated as soon as the lowest reflection minimum
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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.is enough For this embodiment of an inventive Resonanzabsorbera can be a Transmissionsg'rad of about 2% and a reflectance of less than 10 ~ 3 % determine, so that approximately. 98 % of the * incident radiation is absorbed in the resonant absorber layer of the layer thickness 3j874yum.
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^2nQ/ 1Γ k für die wirksame äquivalente Brechungszahl eines vorderen Außenmediurns 11 (Luft) nQ » „ «* 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.According to FIG. 2, a resonance absorber layer 6 is likewise made of amorphous silicon with the refractive index η = and the absorption coefficient k = 0.01 at the wavelength A = 0.920 / around an electromagnetic radiation 7 which strikes vertically or almost perpendicularly. · A stored interference layer sequence 8 is eight Interference layer pairs, each consisting of a low and a high-refractive interference layer 81, 82 and arranged between the resonance absorber layer 6 and an outer Biedium 9 of the refractive index n, = 1.52, composed so that an effective refractive index for the rear outer medium 9 iK ·· , less than 10 J follows * Pur m the numerical value 2 was set to the very small absorber layer thickness d = m · λ An = 9 ^ / 2n = 0.121, in order to realize. Thus, the relation m c ^ 2n Q / 1Γk for the effective equivalent refractive index of a front outer medium 11 (air) results in n Q »" * * TTk = 0.0314-, which turns one pair of interference layers 1C into three pairs and a high refractive index interference layer 101, 102 between the resonant absorber layer 6 and the extended front outer mediura 11 can be approximated.
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.This results in the second embodiment, a transmittance of almost zero, a reflectance of about 10 "- 7 and thus an absorption of nearly 100 % within the resonance absorber layer of little more than 100 nn thickness.
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Claims (3)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD22011080A DD152638A1 (en) | 1980-04-01 | 1980-04-01 | RESONANCE ABSORBER |
| DE19813109653 DE3109653A1 (en) | 1980-03-31 | 1981-03-13 | "RESONANCE ABSORBER" |
| US06/247,956 US4441789A (en) | 1980-03-31 | 1981-03-26 | Resonance absorber |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD22011080A DD152638A1 (en) | 1980-04-01 | 1980-04-01 | RESONANCE ABSORBER |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD152638A1 true DD152638A1 (en) | 1981-12-02 |
Family
ID=5523477
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DD22011080A DD152638A1 (en) | 1980-03-31 | 1980-04-01 | RESONANCE ABSORBER |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DD (1) | DD152638A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4221523A1 (en) * | 1992-07-01 | 1994-01-05 | Jenoptik Jena Gmbh | Radiation protection arrangement with integrated radiation indicator |
-
1980
- 1980-04-01 DD DD22011080A patent/DD152638A1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4221523A1 (en) * | 1992-07-01 | 1994-01-05 | Jenoptik Jena Gmbh | Radiation protection arrangement with integrated radiation indicator |
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