Оптические регистрирующие среды являются основой новых быстро развивающихся направлений науки и техники: оптоэлектроники, робототехники, оптической обработкой информации, систем технического зрения, систем искусственного интеллекта, оптических компьютеров, систем навигации и т. д.
Регистрирующая среда это твердотельное устройство, способное переносить оптическую информацию с одного светового потока на другой, усиливать изображения по яркости, преобразовывать их по спектру и когерентности, выполнять операции вычитания, дифференцирования и т. д. До последнего времени не получено окончательного приемлемого решения этой проблемы. В связи с этим интенсивно проводятся исследованияфизических принципов преобразования изображений в различных твердотельных структурах. От применения, оптических методов ожидается качественный скачок в повышении производительности вычислительных средств. Особенностью оптических регистрирующих сред является возможность параллельного преобразования всего массива информации за время одного переключения, среды.
Оптические регистрирующие среды должны обладать: реверсивностью, т. е. возможностью стирания записанной ранее информации и записью новой информации, высоким пространственном разрешением, обеспечивающим формирование и преобразование наибольшего числа отдельно разрешимых каналов на единице площади, наличием памяти, т. е. способностью сохранять включенное состояние на время, необходимое для считывание всего массива записанной информации, высокой фоточувствительностью, высоким быстродействием, большой глубиной модуляции, обеспечивающей высокий контраст между оптическим нулем и единицейотсутствием усталости в течение времени эксплуатации, возможностью работы при комнатных температурах и др. [1−4]. Светоуправляемые оптические логические элементы на базе этих регистрирующих сред представляют собой устройства, в которых один световой поток или импульс непосредственно управляет параметрами другогосветового потока без промежуточного преобразования в электрический сигнал и обратно. Разработка методов управления параметрами световых потоков непосредственно с помощью света позволяет реализовать новый класс приборов, предназначенный для полностью оптической обработки информации.
В настоящее время известны оптические регистрирующие среды на полупроводниковых структурах: функционирующие* на" двух различных принципах:
1) за счет перераспределения напряженности" электрического поля под действием записывающего * светав двухслойных структурах на электрооптических кристаллах (модуляторы света на MIS-структурах типа «PROM» и модуляторы света на двухслойных структурах: фотопроводник-жидкий кристалл (ФП-ЖК) и структурах МДП-ЖК (MIS-LC) [3−14]),.
2) за счет изменения характеристик, среды, под действием записывающего света, например, коэффициентов его преломления или поглощения (эффект оптической бистабильности) [14−19].
Эти принципы функционирования регистрирующих сред используются в оптической обработке информации уже в течение нескольких десятков лет, при этом постоянно совершенствуются их параметры, увеличивается быстродействие светоуправляемых оптических приборов, реализуемых на их основе. В настоящее время быстродействие пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) на регистрирующих средах на структурах МДП-ЖК. достигает 10 -10 циклов/с [6−14]. В то же время современной технике (системам технического зрения, искусственного интеллекта, оптических компьютеров и т. д.) необходимы устройства для обработки изображений с быстродействием на несколько порядков выше (до 106 циклов/с).
Работы по совершенствованию параметров известных регистрирующих сред и разработке новых типов быстрых оптических регистрирующих сред интенсивно проводятся в мире. Для резкого увеличения быстродействия светоуправляемых оптических приборов необходимы быстрые оптические регистрирующие среды нового типа, работающие на принципах, отличных от используемых в настоящее время. Для их реализации необходимо: a) разработать новые принципы быстрой оптической записи и считывания изображений с быстродействием до v>106 циклов/с. b) разработать конструкцию и технологию полупроводниковых структур для реализации регистрирующих сред, функционирующих на этих принципах c) на базе реализованных быстрых регистрирующих сред разработать новые типы быстрых светоуправляемых приборов для волоконно оптических линий связи (ВОЛС), систем оптической обработки изображений. Этим проблемам и посвящена настоящая работа.
Постановка задачи.
Целью данной работы является:
1) -разработка способов быстрой оптической записи и считывания изображений в полупроводниковых структурах в виде распределенной плотности зарядов свободных фотоносителей с быстродействием до 106 цикл/с).
2) разработка конструкции и технологии полупроводниковых структур для регистрирующих сред, записывающих изображения на зарядах свободных фотоносителей на основе М (Т1)8-структур с наноразмерным слоем диэлектрика (Т1), с быстродействием до 106 цикл/с).
3. Разработка быстрых светоуправляемых приборовдля оптических линий связи (ВОЛС) и систем оптической обработки изображений на базе п-р (Т1)М-структур с быстродействием до 106 цикл/с): a) фотонные ключи (оптический аналог МОП-транзистора), для цифровых оптических вычислений, b) приборы для оптических аналоговых вычислений, обрабатывающие за один такт двумерные картинки (фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствитедьности) c) быстрые оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света.
Объекты и методы исследования.
1. Для создания оптических регистрирующих сред с быстродействием до 106 цикл./с. использовались полупроводниковые М (Т1)8-структуры с наноразмерным слоем диэлектрика (Т1) на высокоомных кристаллах (СсГГе, ваАз). М (Т1)8(Т1)М-структуры изготавливались методом напыления и химического осаждения полупрозрачных металлических слоев на специально подготовленную поверхность кристаллов.
СсГГе, ваАз), покрытую диэлектрическими слоями наноразмерной толщины (Т1).
2. Для выполнения комплекса исследований по изучению пространственно-временного распределения напряженности электрического поля в объеме кристаллов М (Т1)8-структур при освещении разработаны модификации электрооптической методики на поперечном эффекте Поккельса, а исследуемые М (Т1)8(Т1)М-структуры реализовывались на электрооптических кристаллах (СсГГе, ОаАэ).
3. Исследовались различные модификации М (Т1)8(Т1)М-структур: a) М (Т1)8(Т1)М-структуры с ТТслоем естественного окисла, b) М (Т1)8(Т1)М-структуры с варьируемой толщиной ТТ-слоя, c) М (Т1)8(Т1)М-структуры на «чистых» высокоомных кристаллах с О о концентрацией глубоких примесных уровней (НсК) сш") (СсГГе) с!) М (Т1)8(Т1)М-структуры на «компенсированных» высокоомных.
15 3 кристаллах с концентрацией примесных уровней (Н>10 ст") (СсГГе, ОаАв) е) структуры на кристаллах, содержащих р-п переход (п-р (Т1)М-структуры).
4. Исследовалось явления фотостимулированной обратимой перестройки апряженности электрического > поля в М (Т1)8-структурах различной модификации на электрооптических кристаллах (СсГГе, ваАБ) при записи изображений (при! протекании сквозных фототоков монополярной инжекции),.
5. Разработаны механизмы считывания записанных изображений в п-р (Т1)Мструктурах на зарядах свободных фотоносителей.
6. Разработаны светоуправляемые приборы для систем оптической обработки изображений и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на базе п-р (Т1)М-структур (СсГГе, ваАз) по технологии современной микроэлектроники.
Научная новизна работы.
1. Изучено мало исследованное явление фотоиндуцированной пространственно-временной перестройки апряженности электрического поля в объеме кристаллов М (Т1)8(Т1)М и п-р (Т1)М-структур с наноразмерным слоем диэлектрика (Т1), обусловленное зарядами фотоносителей на различных модификациях структур: a) на «чистых» высокоомных кристаллах (СсГГе) с малой концентрацией примесных уровней (^сЮ^см-3)., b) на «компенсированных» высокоомных кристаллах (С<1Те, СаА8) с высокой концентрацией примесных уровней (N^1015 см" 3) c) на М (Т1)8(Т1)М и п-р (Т1)Мструктурах с варьируемой толщиной Т1-слоя.
2 Изучено, воздействие перестройки напряженности электрического поля при освещении М (Т1)8(Т1)М и п-р (Т1)М-структур на их фотоэлектрические характеристикипоказано:
— фотоэлектрические характеристикиМ (Т1)8(Т1)М-структур на.
13 чистых" кристаллах с малой концентрацией’примесных центров- (Г^с 10 о см" У (СсГГе) полностью! определяются* пространственно-временным распределением напряженности электрического поля в кристалле при освещении за счет зарядов свободных фотоносителей,.
— фотоэлектрические характеристики М (Т1)8(Т1)М-структур на «компенсированных» кристаллах с высокой концентрацией примесных уровней (Г^Ю1−5 см" 3) (СсГГе, ваАз) определяются как пространственно-временным распределением напряженности электрического поля за счет зарядов фотоносителей, так и появлением дополнительных инжеьсционных токов, за счет инжекции носителей в кристалл со стороны электрода, противоположного освещаемому. и.
3.Разработана оригинальная фотоэлектрическая методика обнаружения инжекционных токов в М (Т1)8(Т1)М и п-р (Т1)М-структурах на «компенсированных» кристаллах при освещении записывающим светом, основанная на измерении термостимулированных токов (ТСТ) в таких структурах после их дозированного освещения.
4. Предложены способы быстрой оптической записи и считывания изображений в полупроводниковых М (Т1)8(Т1)М и п-р (Т1)М-структурах в виде распределенной плотности зарядов фотоносителей в кристалле, вытекающих из структуры после выключения записывающего светового потока, что позволяет исключить из* цикла перезаписи изображений (запись-считывание-стирание) операцию стирания, что увеличивает быстродействие структур до 106 цикл./с.
Практическая значимость результатов работы.
1.Разработаны* оптические регистрирующие среды для, записи изображений, функционирующие на зарядах свободных фотоносителей, на основе М (Т1)8-структур с тонким наноразмерным слоем диэлектрика (Т1), с быстродействием до 10б цикл/с.
2. Реализованы регистрирующие среды на1 п-р (Т1)М1структурах, обладающие повышенной глубиной модуляции светового потока при считывании изображений по сравнению с М (Т1)8(Т1)М:структурами. Такие п-р (Т1)М-структуры реализованы как на «чистых» кристаллах СсГГе с концентрацией примесных центров, (N10 см") с быстродействием до 106 цикл/с, так и на «компенсированных» кристаллах СсГГе, ваАэ с высоким содержанием примесных центров (N^>10 см") в режимах обеспечивающих протекания в них инжекционных токов, с быстродействием до 104−105 цикл/с., исследованы их параметры.
3. Разработаны светоуправляемые приборы для волоконно оптических линий связи (ВОЛС) и систем оптической обработки изображений на базе п-р (Т1)Мструктур: a) фотонные ключи для цифровых оптических вычислений (СсГГе, СаАв) (оптический аналог МОП-транзистора). Такие фотонные ключи реализованы на п-р (Т1)Мструктурах как на «чистых» кристаллах Сс1Те с (Г^<1013см3) с быстродействием до 10б цикл/с так и на" компенсированных" кристаллах СсГГе, ваАз с высоким содержанием примесных центров (К{>1015 см" 3) с быстродействием до 104−105 цикл/с. b) фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствительности для оптических аналоговых вычислений, способные за один такт обрабатывать двухмерные картинки (СсГГе) c) быстрые оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света для систем технического зрения (С<1Те).
Основные положения, выносимые на защиту Научные положения, выносимые на^защиту: Положение1. Освещение М (Т1)8(Т1)М-структур" собственным" светом' (Ьу>Еэ — Ьу-энергия кванта света, Её-ширина запрещенной зоны кристалла) приводит к существенному перераспределению напряженности электрического поля в кристалле. При этом в результате накопления свободных носителей в кристалле электрическое поле смещается к темновому электроду и может увеличиваться близи него более, чем на порядок.
Положение2.
Время установления стационарного электрического поля в М (Т1)8(Т1)М-структурах при освещении определяется временем установления сквозного фототока в структуре и не зависит от времени экспозиции.
ПоложениеЗ.
Определена прозрачность туннельной тонких диэлектрйческих слоев (Т1) в М (Т1)8(Т1)М-структурах, изучено воздействие прозрачности (Т1)-слоев на параметры приборов, реализованных на их основе (фотонные ключи, корреляторы изображений).
Положение4.
После выключения освещения напряженность электрического поля в М (Т1)8(Т1)М-структурах возвращается к своему темновому значению благодаря наличию туннельно прозрачного диэлектрика (Т1), позволяющего записанному заряду свободных носителей покидать структуру после выключения освещения за время единиц микросекунд.
Положение5.
Освещение п-р (Т1)М-структур с обратно смещенным п-р переходом сопровождается резким уменьшением (на порядок) напряженности поля в области п-р перехода и возрастанием поля на участке кристалла вблизи (Т1) слоя.
Положениеб.
Запись изображений на п-р (Т1)М-структурах на «чистых» кристаллах (СсГГе, N (<10 см) осуществляется на зарядах свободных фотоносителей с быстродействием до 105−10б цикл/с.
Положение?
Сопоставление сравниваемых изображений с эталонным на п-р (Т1)М-структурах осуществляется путем регистрации фототока, возникаюшего при освещении поверхности структуры со стороны Т1-слоя сравниваемым изображением.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на ХШ и XIV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Минск 1988, Ленинград 1991; Международной конференции по электронным материалам (Страсбург 1992 г.), Всесоюзных конференциях: «Физика и применение контакта металл-полупроволник» (Киев 1987) — XI конференция по физике полупроводников (Кишинев 1989) — конференция «Фотоэлектрические явления в полупроводниках (Ташкент 1989) — I и II конференции по оптической обработке информации (Ленинград 1988, Фрунзе 1990), Конференции: Лазеры, Измерения, Информация.(Санкт-Петербург, 2002;2008г) — Четвертый международный семинар «Российские технологии для индустрии» (С.Петербург, 2000) — Fifth ISTC Scientiefic Advisory Committee Seminar, Nanotechnologies in the area of physics chemistry and biotechnology (St-Petersburg, Russia, 2002) — Partnership Development in Russia/CIS, 2nd ISTS-Samsung forum,(Moscow 2003) — 12 th International Symposium Nanostructures: Physics and1 Technology (St Peterburg, Russia 2004)-Совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (Фотоника52 008, Новосибирск 2008) и др.
Работаподдержана:
— Научной Программой Европейского Сообщества INCO COPERNICUS-96 (Контракт № IC15-CT96−0808(DG 12-CDPE)) (19 972 000)),.
— Федеральной целевой научно-технической программой: «Исследования^ и^ разработки по? приоритетным направлениям развития науки и техники (2002;2006г)» (Госконтракт 40.020.1.1.1157 по теме 01.40.01.08.02).
Результаты работы защищены 10 авторскими свидетельствами и тремя Патентами России.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 141 страниц, включая 31 рисунок.
Список литературы
содержит 71 наименование.
6.4. Выводы.
Фотодетекторы для записи и сравнения изображений на регистрирующих средах на п-р (Т1)М-структурах предназначены для оптических аналоговых вычислений и способны за один такт обрабатывать двумерные картинки, причем машинная команда сама может представлять собой картинку.
Фотодетекторы для аналоговых вычислений включают в себя:
— фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствительности,.
— оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света.
1.Фото детектор со светоуправляемой областью фоточувствительности представляет собой фотодетектор, в котором записывающий световой поток управляет размером и конфигурацией его фоточувствительной поверхности для считывающего светового потока. Такой фотодетектор представляет собой п-р (Т1)М-структуру на высокоомном кристалле (СсГГе, ваАз) с мелким фоточувствительным п-р переходом на одной поверхности кристалла и слоем наноразмерного окисного слоя (Т1) толщиной 2−5 пш между поверхностью кристалла и токосъемным металлическим оптически прозрачным*электродом на другой его поверхности [45, 49, 52,53, 57].
К п-р (Т1)М-структуре прикладывается напряжение в полярности обратно-смещенного п-р перехода (и0). Структура освещается одновременно записывающим световым потоком со стороны п-р перехода, содержащим записываемое изображение', и считывающим, потоком со стороны Т1-слоя. Под действием записывающего — светового потока, (со стороны п-р перехода) в кристалле структуры на границе* с Т1-слоем образуется распределенный электрический заряд свободных фотоносителей (дырок) с плотностью, повторяющей распределение яркости светового потока на поверхности п-р перехода. Этот участок поверхности структуры становится фоточувствительным для считывающего светового потока, падающего на поверхность структуры со стороны Т1-слоя. Размеры и конфигурация фоточувствительной области на поверхности структуры со стороны Т11слоя повторяют размеры и конфигурацию поверхности структуры со стороны п-р перехода, освещаемой записывающим световым потоком.
На базе фотодетектора с оптически управляемой областью фоточувствительности реализован фотодетектор для сравнения сигналов изображений. Такой фотодетектор может быть использован как коррелятор изображений. При этом эталонное изображение объекта, который должен быть опознан проецируется на поверхность детектора со стороны п-р перехода импульсным светом. Текущее изображение проецируется световыми импульсами считывающего света на противоположную поверхность процессора со стороны (Т1)-слоя. При этом фотоответ на выходе процессора оказывается пропорционален интегралу от произведения интенсивностей световых потоков, инициированных эталонным и текущим изображениями, на площадь их перекрытия. -Предлагаемый коррелятор изображений ориентирован на использование в интеллектуальных системах технического зрения, функционирование которых связано с необходимостью распознавания образов.
Заключение
.
1. В настоящее время для записи и обработки изображений в современной технике используются оптические регистрирующие среды на полупроводниковых структурах, с быстродействием у<103 цикл/с (структуры МДП-ЖК). В то же время современной технике необходимы устройства с быстродействием на несколько порядков выше (до 106 цикл/с). Для резкого увеличения быстродействия регистрирующих сред и приборов на их основе необходимы: a) разработка, новых принципов быстрой записи и считывания изображений с быстродействием до v>106 цикл/с, обладающих малой энергией переключения и высоким пространственным разрешением, b) разработка конструкции и технологии полупроводниковых структур для реализации регистрирующих сред, функционирующих на этих принципах, c) разработка новых типов быстрых светоуправляемых приборов для систем оптической обработки изображений на базе реализованных регистрирующих сред .
Для решенияэтих задачвработе:
1. Предложенпринцип быстрой оптической записи-^ изображений на высокоомных МК>-структурах с тонким наноразмерным слоем диэлектрика Т1, (М (Т1)8-структурах) в виде распределенной плотности заряда свободных фотоносителей в кристалле, повторяющих распределение яркости изображения на поверхности структуры, что позволяет исключить операцию стирания приперезаписи изображений и увеличить быстродействие структур до 106 цикл/с.
2. Изучено мало исследованное явление фотоиндуцированной пространственно-временной перестройки напряженности электрического поля, обусловленное зарядами свободных фотоносителей в М (Т1)8-структурах различной модификации: а) на «чистых» высокоомных кристаллах (СсГГе) с малой концентрацией примесных уровней (N[<10 см")., b) на «компенсированных» высокоомных кристаллах (СсГГе, СаАэ) с.
1С о высокой концентрацией примесных уровней (N[>10 см") c) на М (Т1)8-наноструктурах с варьируемой толщиной Т1-слоя, с1) на кристаллах, содержащих р-п переход (п-р (Т1)М-структуры).
Разработана оригинальная электрооптическая методика и установка, позволяющие измерять пространственно-временное распределение напряженности поля в структурах на электрооптических кристаллах при включении (выключении) освещения с высоким временным (1мкс) и пространственным (1мкм) разрешением.
3. Изучено воздействие перестройки напряженности электрического поля при освещении М (Т1)8-структур на их фотоэлектрические характеристики, обнаружено появление инжекционных токов в М (Т1)8-структурах на «компенсированных» кристаллах с высокой концентрацией примесных уровней, показано, что появление инжекционных токов способствует ограничению и стабилизации распределения напряженности электрического подя. в структуре при. освещении, уменьшению* времени, рассасывания" записанного заряда после выключения" освещения и созданию быстродействующих структур на «компенсированных» кристаллах (ваАз).
4. Разработана оригинальная методика обнаружения инжекционных токов в М (Т1)8-структурах на «компенсированных» кристаллах при освещении, основанная на измерении термостимулированных токов (ТСТ) в таких наноструктурах после их дозированного освещения.
5.Установлено, что размещение изолирующего слоя наноразмерной толщины (2−5 нм) перпендикулярно направлению электрического поля в различного типа полупроводниковых структурах (содержащих, например, п-р переход) вызывает эффективную фотоиндуцированную перестройку напряженности электрического поля в структуре, изменяющуюся синхронно с изменением интенсивности освещения.
6. Реализованы структуры в виде кристалла с обратно-смещенным фоточувствительным п-р переходом на одной его поверхности и нано-размерным слоем диэлектрика (Т1) на его противоположной поверхности под оптически прозрачным металлическим электродом М, (п-р (Т1)М-структуры). Такие структуры реализованы как на «чистых» кристаллах СсГГе с концентрацией примесных центров (Г^сЮ^см" 3) с быстродействием, до 106 цикл/с, так и на «компенсированных» кристаллах СсГГе, ваАБ (N[>10 см") с быстродействием до 104−105 цикл/с.
7. Разработаны способы считывания изображений, записанных на зарядах свободных фотоносителей в полупроводниковых п-р (Т1)М-структурах путем регистрации величины фототока на выходе структуры от считывающего > светового потока со стороны ТГслоя при одновременном освещении структуры записывающими световыми импульсами со стороны п-р перехода. Фототок от действия считывающего светового потока содержат информацию о величине и конфигурации записанного электрического заряда.
8. Разработаны* светоуправляемые приборы для волоконно оптических линий связи (ВОЛС) и систем оптической обработки изображений на базе п-р (Т1)М-структур: a) фотонные ключи, (оптический аналог МОП-транзистора), предназначенные для цифровых оптических вычислений, b) фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствитедьности предназначенные для оптических аналоговых вычислений, способные за один такт обрабатывать двумерные картинки (СсГГе), c) быстрые оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света для систем технического зрения (Сс1Те).
