p‐InAsSbP/n‐InAs Double Heterostructure as an On‐Chip Midinfrared Evanescent Wave Sensor of Liquids

Abstract

I–V and L–I characteristics as well as photocurrent in monolithic p‐InAsSbP/n‐InAs double heterostructure (λ = 3.4 μm) with several mesas/individual diodes grown onto a single n+‐InAs substrate have been measured at an activation of one of the diodes at ambient temperature in the presence of water, ethanol, and H20 + C2H5OH mixture at the n+‐InAs substrate surface. Adequately sufficient photocurrent values, the evidence for the absorption of internally reflected infrared radiation at the n+‐InAs substrate/liquid interface together with the correlation between the photocurrent and liquid chemical composition indicate the possibility of developing p‐InAsSbP/n‐InAs double heterostructures into a miniature monolithic “on‐chip” evanescent wave sensor of different liquids.

Микрооптопара (λ = 3.4 μm) на основе двойной гетероструктуры InAsSbP/InAs для измерения концентрации этанола в водном растворе методом МНПВО

“…Действительно, при проведении измерений с изменяющейся во времени температурой микрооптопары коэффициент передачи тока (КПТ = I ph /I LED ), т. е. полезный сигнал датчика, в силу температурной зависимости мощности СД и чувствительности ФД будет также изменяться [4,8,12,14]. Для устранения влияния этой зависимости на результат измерения обычно используют калибровочные алгоритмы, позволяющие анализировать КПТ оптопары, полученные при различной температуре.…”

“…термин " on-chip sensor", русскоязычный аналог этого термина -" система на кристалле", СНК). В одном из вариантов такой интеграции на единой монокристаллической полупроводниковой подложке создают микрооптопару, состоящую из оптически связанных диодных источника и приемника излучения c характерными размерами активных областей от 20 до 300 µm [5][6][7][8]. Под оптической связью при этом подразумевается доставка в приемник излучения источника, вышедшего из полупроводника [5,6], либо доставка излучения, не покидающего монолитный чип, т. е. излучения, распространяющегося внутри прозрачной подложки [7][8][9].…”

“…В одном из вариантов такой интеграции на единой монокристаллической полупроводниковой подложке создают микрооптопару, состоящую из оптически связанных диодных источника и приемника излучения c характерными размерами активных областей от 20 до 300 µm [5][6][7][8]. Под оптической связью при этом подразумевается доставка в приемник излучения источника, вышедшего из полупроводника [5,6], либо доставка излучения, не покидающего монолитный чип, т. е. излучения, распространяющегося внутри прозрачной подложки [7][8][9]. В последнем случае монолитную микрооптопару светодиод (СД) -фотодиод (ФД) можно использовать как датчик многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО), поскольку величина фототока в ФД зависит от показателя преломления и коэффициента поглощения вещества (аналита), имеющего оптический контакт с подложкой.…”

“…В таком датчике подложка, изготовленная, например, из InAs, выполняет функцию кристалла МНПВО (англ. термин -ATR crystal) [7,8]. Применение полупроводников А 3 В 5 как в качестве основы кристалла МНПВО, так и в качестве активных элементов (т. е. СД и ФД) представляется нам перспективным по ряду причин, включая отсутствие ограничений на их использование в ЕС, налагаемых директивой RoHS (директива по ограничению использования опасных веществ, в том числе Cd и Hg) [10].…”

“…В данной работе, являющейся продолжением наших исследований по использованию монолитных микрооптопар в качестве датчиков МНПВО, показаны перспективы их применения для измерения концентрации этанола в водном растворе, которое включает алгоритм калибровки, основанный на определении параметров вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов микрооптопары на основе двойной гетероструктуры (ДГС) p-InAsSbP/n-InAs (λ = 3.4 µm, 300 K) с уменьшенной в 4 раза по сравнению с образцами в [7,8] площадью активных областей элементов. Температурная зависимость сопротивления в нуле смещения (R 0 ) в диапазоне 280−340 K описывалась стандартным выражением для тока, ограниченного диффузией в диодах из InAs: При использовании микрооптопары в качестве контактного датчика жидкостей или твердых тел изменение ее температуры будет обусловлено не только токовым разогревом СД, но и температурой и теплопроводностью аналита, что может явиться источником больших погрешностей измерений.…”