1
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПАШКОВ Олександр Сергійович
УДК 535.14:621.375.826
НАПІВПРОВІДНИКОВІ ЛАЗЕРИ З ЕЛЕКТРОННИМ НАКАЧУВАННЯМ НА ОСНОВІ СПОЛУК ГРУП А2В6, А3В5 З ПОКРАЩЕНИМИ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Спеціальність 05.27.01 – Твердотільна електроніка
Автореферат дисертації
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса - 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному науково-дослідному центрі оборонних технологій і воєнної безпеки України Міністерства оборони України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Мокрицький Вадим Анатолійович,
Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри “Інформаційні технології проектування в електроніці та телекомунікаціях”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Назаренко Аскольд Федорович,
Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри фізики;
кандидат технічних наук, доцент
Завадський Віктор Афанасійович,
Одеська національна морська академія, завідувач кафедри морської радіоелектроніки.
Захист відбудеться 17 жовтня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.052.03 Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Т.Г. Шевченка, 1.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Т.Г. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий “14”вересня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради О.В.Андріянов
ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Простота пристроїв і компактність напівпровідникових лазерів, широкий вибір матеріалів, придатних у якості активної речовини, обумовлюють значні переваги таким джерелам когерентного випромінювання.
Напівпровідниковий лазер з електронним накачуванням (НЛЕН) швидкими електронами має ряд переваг перед приладами з іншими методами збудження. Однією з таких переваг є можливість використання широкого класу напівпровідникових матеріалів як чистих, так і однорідно легованих, що мають будь-яку ширину забороненої зони. Крім того, в цьому випадку відпадає необхідність створення p-n - переходів і контактів.
Однак створення приладів на основі лазерів з електронним накачуванням вимагає рішення великого кола складних і трудомістких фізичних, конструкторських та технологічних задач.
Дана робота присвячена рішенню задач створення та покрашення експлуатаційних характеристик НЛЕН, які пов’язані з “мікроскопічними” властивостями матеріалів і визначаються, в основному, властивостями самого напівпровідникового посилюючого середовища. Вони стосуються, по-перше, поліпшення вихідних параметрів лазерного випромінювання в широкому діапазоні робочої температури, у тому числі й при кімнатній, по-друге, освоєння нових технічно важливих спектральних діапазонів довжини хвилі, по-третє, дослідження і використання фізичних явищ, що обмежують робочі параметри лазерів і термін їхньої служби.
Проблеми деградації лазерів і їхньої радіаційної стійкості при опроміненні електронами високих енергій вивчалися мало, тому актуальність проведення таких досліджень не викликає сумнівів.
Все наведене вище доводить, що розробка та удосконалення методів, методик і технологічних заходів при створенні напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням з метою покращення їх параметрів є актуальними.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з міжгалузевою науково-технічною “Програмою розвитку найбільш конкурентоспроможних напрямків мікроелектроніки в Україні” (№ 1-14/473 від 24.06.98 р.), та виконана в рамках фундаментальної держбюджетної НДР “Дослідження проблем створення та модифікації властивостей нових багатокомпонентних матеріалів оптоелектроніки та сенсорики” Міністерства освіти і науки України, плановою науково-дослідною роботою Національного науково-дослідного центру оборонних технологій і воєнної безпеки МО України, шифр “Безпека-Комплекс” (ОК № 0205 U 006226. (Особисто автором запропоновані моделі процесів генерації когерентного випромінювання і обґрунтування шляхів підвищення ефективності функціонування напівпровідникових ОКГ).
Мета і завдання дослідження.
Метою дисертаційної роботи є вдосконалення методів та засобів створення лазерів з електронним накачуванням на основі сполук груп А2В6 і А3В5, дослідження процесів і явищ генерації випромінювання для покращення їх характеристик.
Завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:
1. Дослідження фізичних процесів і явищ в активних середовищах на основі сполук груп А2В6 і А3В5.
2. Вибір досконалих активних середовищ із сполук груп А2В6, А3В5 для створення на їх основі НЛЕН з покращеними характеристиками.
3. Розробка моделей процесів деградації, засобів підвищення порогів оптичного руйнування для збільшення ресурсу роботи лазерів.
4. Створення на основі досліджуваних матеріалів експериментальних зразків лазерів з електронним накачуванням.
Об’єкт дослідження – фізичні явища, методи і засоби створення, параметри та характеристики лазерів з електронним накачуванням на основі сполук А2В6 та А3В5.
Предмет дослідження – процеси генерації випромінювання в монокристалах сполук груп А2В6 і А3В5 під дією електронів з високою енергією, процеси деградації лазерів даного типу.
Методи дослідження. Методи сучасного матеріалознавства, фізичного та математичного моделювання; теорія подоби – для розробки методів прискорення розвитку прихованих та потенційних дефектів у активних середовищах лазера; теорії ймовірності і математичної статистики – для розробки математичних моделей, дослідження технологічних процесів виготовлення НЛЕН.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Удосконалено моделі, що описують залежності основних характеристик напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням на основі сполук груп А2В6 і А3В5 від фізико-хімічних властивостей матеріалу активного середовища та умов його збудження.
Наукова новизна полягає у тому, що на відміну від відомих, удосконалені моделі визначають комплексно залежність спектральних і енергетичних характеристик приладів від зонної структури, умов легування матеріалу активного середовища, а також від рівня його збудження електронним пучком.
2. Запропоновані моделі фізичних процесів деградації активного середовища таких лазерів.
Відмінною особливістю цих моделей, що визначає їх наукову новизну, є встановлення ефекту самофокусування і руйнування матеріалу у світлових каналах, проявлення деградації через пластичну деформацію кристалу, уточнення фізичного явища повільної деградації для CdS та GaAs.
3. Визначені закономірності впливу електронів з енергією вище порога утворення дефектів на властивості матеріалів активного середовища та характеристики лазерів даного типу. Розроблена методика підвищення стійкості властивостей сполук А2В6 і А3В5 шляхом імпульсного радіаційного відпалу.
Наукова новизна результатів досліджень полягає у визначені порогу виникнення дефектів в умовах електронного накачування кристалів CdS та GaAs, граничної дози їх опромінення до зміни властивостей, встановленні ефекту відпалу дефектів при імпульсному опроміненні.
4. Науково обґрунтовані конструкторські та технологічні засоби, що дозволяють покращувати основні параметри лазерів даного типу.
Особливістю цих результатів, що визначає їх наукову новизну, є формулювання вимог до матеріалу, конструкції та технології виготовлення приладів, визначення умов усунення побічної (повздовжньої) генерації випромінювання, пропозиції застосування та технології виготовлення приладів з багатоелементними мішенями.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Запропоновано методики вибору властивостей та технології виготовлення активного середовища ефективних напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням. Доведені переваги технології рідкофазної епітаксії для виготовлення матеріалів активних середовищ лазерів даного типу.
2. Створені експериментальні зразки лазерів з електронним накачуванням на основі чотирьохкомпонентних твердих розчинів сполук типу А3В5, наприклад, GaxIn1-xAseP1-y-InP для області довжини хвилі випромінювання 0,9-1,7 мкм.
3. Підтверджена можливість створення неохолоджуваних лазерів з електронним накачуванням на основі кристалів CdS із параметрами: 200-300 Вт, пороговим струмом накачування 2,0 А/см2, коефіцієнтом корисної дії до 22%.
4. Забезпечено підвищення терміну служби лазерів даного типу шляхом використання оптично однорідних кристалів сполук із щільністю дислокацій не більш 104 см-2, виготовлених за технологією рідкофазної епітаксії, легованих оптимальними за типом та концентрацією домішками.
5. Запропоновано технологію виготовлення лазерів даного типу з багатоелементною мішенню з параметрами, наприклад, на основі CdS: максимальна імпульсна потужність 9 МВт (енергія світлового імпульсу 55 мДж) з площі випромінюючої поверхні 7 см2, при робочій щільності струму 150 А/см2 та енергії електронів накачування 400 кеВ; на основі GaAs, відповідно, – 5,2 МВт (45 мДж), 1 см2, 200 А/см2, 400 кеВ.
Визначені результати рекомендується використовувати в науково-дослідних та дослідно-конструкторських роботах пов’язаних з покращенням експлуатаційних характеристик напівпровідникових лазерах, а також при їх виробництві.
Удосконалені на основі запропонованих в дисертації методів і засобів оптичні квантові генератори з електронним накачуванням на основі сполук А2В6, А3В5 використані при розробці системи захисту та знімання інформації в експериментальному спеціальному пристрої (акт ВАТ “Завод “Маяк” від 15 березня 2007 р.), а також в учбовому процесі Одеського національного політехнічного університету.
Особистий внесок здобувача. Основні наукові та прикладні результати дисертаційної роботи здобувачем отримані самостійно. Із спільних публікацій здобувачу належить наступне: у 1 – удосконалення моделі залежності спектральних, порогових, енергетичних характеристик напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням на основі сполук груп А2В6 і А3В5 від особливостей зонної структури, фізико-хімічних властивостей матеріалу; у 2 – запропонована структура побудови випромінювача інфрачервоного діапазону на CdS; у 4 – запропоновано удосконалення пасивації поверхні напівпровідникового кристалу; у 5 – встановлено закономірності впливу електронів з енергією вище порога утворення дефектів на властивості матеріалів активного середовища та характеристики лазерів даного типу; у 8 – вдосконалені моделі процесів деградації активного середовища приладів ІЧ діапазону; у 9 – запропонована методика імпульсного радіаційного відпалу.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи оприлюднені на науково-технічних конференціях та семінарах Національного науково-дослідного центру оборонних технологій і воєнної безпеки України (2005-2006 р.р.); Міжвузівській науково-практичній конференції “Сучасні напрямки розвитку Сухопутних військ Збройних Сил України” (28-29 листопаду 2006 р.), м. Одеса; на постійно діючому семінарі Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка (17 січня 2007 р., вип. 5); Міжнародній науковій конференції “СІЕТ - 2007” (21-25 травня 2007 р.), м. Одеса.
Публікації. Основні наукові результати опубліковані в одній монографії, семи статтях (3 статті без співавторів) у фахових виданнях, у 2 тезах доповідей та наукових нотатках постійно діючого семінару ВІКНУ.
Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає – 143 сторінки, з яких – 17 сторінок займають ілюстрації, таблиці, додатки, список використаних літературних джерел, що складається з – 82 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи за обраною темою, визначене наукове завдання, розв’язанню якого присвячена дисертація, сформульовано мету і завдання дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів. Наведені дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача і відомості про апробацію та публікації за темою дисертації.
У першому розділі проведено аналіз сучасного стану науки і практики напівпровідникової оптоелектроніки. Розглянуто теоретичні засади створення умов інверсної заселеності та генерації когерентного випромінювання в напівпровідникових активних середовищах. Показано особливості цих процесів для прямозонних напівпровідникових сполук.
У загальному вигляді ККД лазерів з електронним накачуванням дорівнює відношенню випромінюваної потужності до потужності, що падає на кристал.
(1)
Таким чином, граничний ККД у лазерах з електронним накачуванням може досягати величини 29%. Це є досить високим значенням для практичної побудови різних оптоелектронних приладів на цьому принципі збудження.
Принцип дії НЛЕН не відрізняється від оптичних квантових генераторів (ОКГ) з іншими активними середовищами: багаторазове проходження електронів через прямозонний напівпровідник, у якому забезпечена умова інверсної заселеності. В залежності від роду напівпровідника, розмірів активного кристалу (резонатора), НЛЕН може генерувати випромінювання з довжиною хвилі в одному з діапазонів спектра електромагнітних коливань. Проведено порівняльний аналіз різних типів сучасних лазерів.
Накачування напівпровідникового лазера швидкими електронами має ряд переваг перед іншими методами збудження. Однією з таких переваг є можливість використання широкого класу напівпровідникових матеріалів як чистих, так і однорідно легованих, що мають будь-яку ширину забороненої зони. Крім того, в цьому випадку відпадає необхідність створення p-n - переходів і контактів.
Однак створення приладів на основі лазерів з електронним накачуванням вимагає рішення великого кола складних і трудомістких задач. Дана робота присвячена рішенню задач удосконалення характеристик НЛЕН, пов’язаних з “мікроскопічними” властивостями матеріалів. Вони стосуються, по-перше, поліпшення вихідних параметрів лазерного випромінювання в широкому діапазоні робочої температури, по-друге, освоєння нових технічно важливих спектральних діапазонів довжини хвилі і, по-третє, дослідження фізичних процесів, що обмежують робочі параметри лазерів і термін їхньої служби. Проблема деградації лазерів і їхньої радіаційної стійкості при опроміненні електронами високих енергій вивчалася мало, тому актуальність проведення таких досліджень не викликає сумнівів.
Сформульоване загальне наукове завдання дисертації, що поділяється на ряд часткових взаємопов’язаних задач: проведення досліджень фізичних процесів та явищ у різних активних середовищах, розробки методів їх вибору серед напівпровідникових сполук груп А2В6 і А3В5, вивчення явищ деградації при їх роботі у НЛЕН, розробки конструкції та технології виготовлення деяких виробів напівпровідникової оптоелектроніки.
У другому розділі наведені удосконалені моделі процесів генерації когерентного випромінювання в напівпровідникових сполуках в умовах електронного накачування. Вихідні умови моделювання пов’язані з вибором матеріалу активного середовища, способом накачки його електронами та розрахунком іонізаційних втрат при їх проходженні крізь кристал.
Розподіл щільності втрат енергії електронів на іонізацію можна апроксимувати формулою:
, (2)
де E0 – початкова кінетична енергія електронів; б і b – емпіричні константи.
Цей розподіл представлено на рисунку 1.
Енергія електронів, що використовується для збудження генерації, як правило, знаходиться в межах 10-300 кеВ. Нижня границя обумовлена необхідністю створення інверсної населеності в шарі достатньої товщини. Верхня границя для E0 збігається з порогом утворення радіаційних дефектів, що підвищують поріг і знижують потужність генерації, а також ведуть до швидкої деградації лазера.
Рис. 1. Розподіл іонізаційних втрат по глибині кристала GaAs: крива (1) – експеримент при E0=50 кеВ; крива (2) – розрахунок по формулі (2).
Геометрія поперечного і поздовжнього накачування напівпровідникових кристалів електронним пучком представлена на рисунку 2. Розрахунки показали, що при поперечному накачуванні дифракційні втрати великі і при енергії пучка E0 ? 50 кеВ становлять 100-300 см-1.
Рис. 2. Схема збудження напівпровідникового лазера електронним пучком: а – поперечне накачування; б – поздовжнє накачування; 1 – когерентне випромінювання; 2 – поверхні резонатора, що відбивають; L – довжина резонатора; 3 – підкладка; 4 – напівпровідниковий кристал; 5 – пучок електронів.
В роботі досліджено процеси генерації випромінювання на прикладі кристалів GaAs. Для дослідження механізму генерації в GaAs, оптимізації властивостей активної області докладно вивчався вплив типу провідності, виду і концентрації легуючої домішки на параметри випромінювання в широкому діапазоні рівнів збудження та температури.
Дослідження на GaAs, вирощеному за методом Чохральського, показали, що при підвищенні рівня легування від 1016 до (2-4)•1018 см-3 поріг генерації як при 80К, так і при 300К знижується в 4-5 разів, а потужність і ККД зростають.
Мінімальна порогова щільність струму jпор = 06-09 A/см2 при 80К була у кристалів з n=(1–2)•1018см-3, при 300К – jпор = 3 A/см2 у зразків з концентрацією (2-4)•1018 см-3. При подальшому збільшенні ступеня легування поріг зростав, а лазерний ефект зникав. На зразках з оптимальною концентрацією при T=85 К були отримані значення потужності випромінювання 400-500 Вт при ефективності 25-35%.
На основі дослідження люмінесцентних і структурних властивостей GaAs визначені, відповідно до випромінювальних характеристик, оптимальні режими росту кристалів. Показано, що саме дефекти нестехіометрії були відповідальні за зниження квантового виходу в об’ємних злитках.
Лазерний ефект в кристалах групи А2В6 вивчався на спеціально легованих кристалах. Для дослідження впливу домішок на лазерні характеристики були вивчені зразки CdS, спеціально леговані мілкою донорною домішкою – хлором і мілким акцептором – натрієм Nдом ~1017-1018 см-3. Було встановлено, що при 300К мінімальні пороги ~2-3 A/см2 і максимальні ККД до 10-12% досягаються в кристалах з високим вмістом акцепторних домішок NA ~1018 см-3. Потужність випромінювання досягала 200-300 Вт. При 80К у таких кристалів також виявилися низькі пороги 0,5-0,8 A/см2 і високі ККД біля граничних значень 25ч30%. У той же час, у нелегованих зразках при 300К jпор становили 25-30 А/см2, генерація практично не була досягнута, а спостерігався лише початок звуження лінії люмінесценції. При 80К параметри випромінювання в цих кристалах також були істотно гірші – jпор ~ 2–3 А/см2, ефективність не вище 5%.
Досліджені параметри лазерів на кристалах GaAlAs, GaAlSb. Залежність енергії фотонів стимульованого випромінювання від порогової щільності струму jпор лазерів на твердому розчині Ga1-xAlxAs – GaAs показала, що jпор при T = 83 К для легованих зразків n – типу (hн < 1,8 еВ) досить низькі і становили 0,6ч0,9 А/см2 (швидкість генерації G=(4,8–7,2)•1025 см-3.с-1). Зі збільшенням “” (hн < 1,8 еВ) порогова щільність струму зростала.
Існує кілька причин зниження значень потужності й ККД лазерів зі збільшенням ширини забороненої зони. Однією з причин низької ефективності лазерів може бути нерівномірний розподіл алюмінію по товщині активної області – зменшення вмісту Al до поверхні й виникнення внаслідок цього градієнта ширини забороненої зони. Нерівноважні електрони за час життя можуть стікатися до поверхні кристала, де, як відомо, рекомбінація носить безвипромінювальний характер.
Для створення лазерів в області довжини хвиль < 1,6 мкм були досліджені епітаксійні плівки Ga1-xAlxSb змінного складу. Досліджувалися тверді розчини в області сполук 0<X<0,65, в основному, леговані телуром до концентрацій (5-8)•1017 см-3.
Саме короткохвильове випромінювання, що було зафіксовано в Ga1-xAlxSb, становило 0,84 мкм (X=0,645). Лазерний ефект у n – Ga1-xAlxSb спостерігається тільки в зразках з 0<X<0,2, при цьому довжина хвилі генерації поблизу порога лежала в діапазоні 1,57-1,122 мкм. Зміна ширини забороненої зони твердого розчину Ga1-xAlxSb від складу при T = 85 К можна описати наступною залежністю:
Eg(X) = Eg0 + kx (3)
Порогова щільність струму у Ga1-xAlxSb виявилася порівняно низькою, а ККД досить високим: в зразках з малим вмістом Al (x<0,1) становили jпор < 0,1–0,2 А/см2, а ККД ~25-15%.
Досліджено процес генерації лазерів на четверних твердих розчинах груп А2В6 і А3В5.
Твердий розчин GaxIn1-xAsyP1-y на підкладці InP дозволяє створювати джерела випромінювання з довжиною хвилі 0,9-1,7 мкм. В епітаксійних шарах GaxIn1-xAsyP1-y – забезпечується повна відповідність параметрів гратки підкладки й епітаксійного шару в інтервалі ширини забороненої зони 0,8-1,35 еВ (300К). Експериментальні дослідження спонтанного й лазерного випромінювання епітаксійних структур GaxIn1-xAsyP1-y – продемонстрували високі люмінесцентні властивості цієї сполуки й перспективність її використання як активного середовища для лазерів.
Четверний твердий розчин Ga1-xInxSb1-yAsy – дозволяє створювати джерела, що працюють у спектральному діапазоні 1,8ч3,2 мкм. Досліджувалися структури як спеціально нелеговані (p – тип, p0 ? 1017 см-3), так і леговані телуром з n0 = (0,5 –1)•1018 см-3. Генерація лазерного випромінювання спостерігалася у всьому діапазоні температури від 80 до 300К, причому параметри випромінювання практично не залежали від типу провідності. При 80К довжина хвилі генерації знаходилася в діапазоні 1,8ч2,2 мкм, при 300К - в області 2,05-2,36 мкм. Пороги були порівняно невисокі і у найбільш досконалих структурах становили ~0,1-0,2 А/см2 при 80К и 0,7-2 А/см2 при 300К. Однак диференційна ефективність лазерів, усереднена по всій опроміненій поверхні, не досягала граничних значень і становила 10% при 80К и 6% при 300К. Значення локального ККД були вище ~15% і 8%, відповідно. Однак, на відміну від своїх бінарних аналогів GaSb і InAs, у четверній сполуці Ga1-xInxSb1-yAsy – спостерігається більш слабка залежність порогової щільності струму й диференційної ефективності від температури.
Напівпровідникові лазери на структурі InAs1-x-ySbxPy – були створені в спектральному діапазоні 3,1-3,7 мкм (80К), що дозволило просунутися в більш довгохвильову область у порівнянні з InAs. Потужність випромінювання була досить високою і у кращих зразків перебувала на рівні 100 Вт, а ККД ?8%, щільність порогового струму лазерів була не більше 0,3 А/см2 (з врахуванням площі випромінюючих областей ККД – ?10-15%).
Досліджено залежність характеристик НЛЕН від умов збудження.
Дослідження проводилися на прискорювачі типу “Еліт-1”, що працює в імпульсному режимі з наступними параметрами електронного пучка: енергія електронів у пучку 250-800 кеВ, тривалість імпульсу струму 10-100 нс, частота проходження 1-25 Гц. Діаметр пучка 8 мм при максимальній щільності струму ~25 А/см2 .
Досліджено залежність потужності випромінювання від дози електронів і їхньої енергії в пучку. Падіння потужності лазера з дозою опромінення пов’язано, в основному, із зменшенням квантового виходу випромінювальної рекомбінації й збільшенням порога генерації. Ці зміни відбуваються за рахунок того, що в процесі опромінення утворюються радіаційні порушення, які вносять додаткові канали рекомбінації нерівноважних носіїв заряду.
Виявилося, що опромінення кристалів при охолодженні рідким азотом приводило до більш значної, ніж при 300К, зміни параметрів лазерів: швидкість падіння потужності (рис. 3) і збільшення порога зростали приблизно в 4-5 разів у порівнянні з 300К.
Рис. 3. Залежність потужності випромінювання від дози опромінення при різних значеннях температури: 1, 2 – 300К; 3, 4 – 80К; 1, 3 – E0400 кеВ; 2, 4 – 500 кеВ; n 16 см-3.
У третьому розділі представлені моделі деградації напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням (НЛЕН). Вивчення процесів деградації джерел когерентного випромінювання й можливих шляхів їхнього усунення – фундаментальна проблема лазерної техніки. Рішення цієї проблеми обумовлює практичне застосування лазерів у різних галузях науки й техніки, підвищення терміну служби, надійності їхньої роботи й стабільності вихідних параметрів у режимі максимальної потужності. У цей час немає єдиного теоретичного уявлення про механізми деградації, як у твердотільних, так і інжекційних лазерах. У випадку напівпровідників ці труднощі збільшуються тим, що напівпровідникові кристали більш неоднорідні, ніж твердотільні.
В розділі наведені результати дослідження катастрофічної деградації лазерів на основі GaAs і CdS. Для охолоджуваних лазерів на GaAs критична щільність потужності руйнування при 80К становила 5-15 МВт/см2, при цьому диференційна квантова ефективність знижувалася, а поріг генерації залишався без зміни. Процеси катастрофічної деградації при 80К супроводжувалися значними механічними руйнуваннями поверхні дзеркал резонатора, які іноді поширювалися за межі активного шару (тобто >5 мкм), і ушкодженнями полірованої поверхні, яку опромінює електронний пучок.
Було виявлено, що величина критичної щільності потужності випромінювання залежала від вихідних властивостей арсеніду галію і, у першу чергу, від щільності дислокацій (рис. 4). У зразках, де щільність дислокацій становила ?105 см-2, вона була вкрай низкою 2-4 МВт/см2 у порівнянні із кристалами з ND (1-5)•103 см-2, де 10-15 МВт/см2.
Рис. 4. Залежність потужності лазерного випромінювання від щільності струму для двох кристалів GaAs з різною щільністю дислокацій, Т = 80К.
Величина залежала від типу легуючої домішки: у кристалах типу, легованих цинком, вона була нижче 2-9 МВт/см2. З ростом рівня легування (телур, n 1018 см-3) значення зменшувалося. Це обумовлено збільшенням щільності й розміру мікронеоднорідностей.
Аналіз експериментальних результатів дозволяє виділити три основних процеси деградації: на дефектах обробки поверхні; на мікронеоднорідностях; у світлових каналах в однорідних кристалах.
Явище повільної деградації, тобто поступове падіння потужності випромінювання протягом тривалої роботи лазерів у докритичних режимах, в охолоджуваних кристалах виявлено не було. Виготовлені на основі кращих кристалів GaAs відпаяні джерела когерентного випромінювання проробили більше 200 годин й ознак деградації не виявили.
Дослідження неохолоджуваних лазерів при кімнатній температурі показали, що значення критичних світлових потоків руйнування були істотно менше, ніж при низькій температурі, і становили (2-9)•106 Вт/см2. Виявлені ознаки повільної деградації.
Вплив власного лазерного випромінювання може привести до виникнення в кристалі термічних напруг, які залежно від пластичності матеріалу викликають або крихке руйнування зразка, або утворення і розмноження дислокацій. Ознак поступової деградації за умови не спостерігалося (рис. 5а). Поріг генерації в таких лазерах після випробувань протягом 5 годин не збільшувався (рис. 5б).
Рис. 5. Залежність потужності випромінювання від часу роботи лазера при Т = 300К (а) і початкові ділянки ватт-амперних характеристик до випробувань (світлі точки) і після випробувань при Т =300К (темні точки) (б): а - 1 – зразок N 146 (j = 10,3 А/см2); 2 – 136 (j = 27 А/см2); 3 – 126 (j = 21 А/см2); 4 – 136 (хімтравлення, j = 17 А/см2 і епітаксійний нелегований); 5 – I42 (n017см-3, j = 19 А/см2); 6 – Н/Л (j = 23 А/см2); б – 1,2 - епітаксійні зразки (n ?1015 см-3); 3 – об’ємні кристали з хімічним поліруванням (136), 4,4’– той же зразок без полірування (4 – до деградації, 4’– після збудження протягом 1 години, j = 27 А/см2, P Вт).
Характер деградації лазерів із CdS трохи відрізнявся від аналогічного явища в арсеніді галію. В охолоджуваних лазерах також спостерігалася катастрофічна деградація під дією власного лазерного випромінювання, пороги були значно нижче й становили 2-4 МВт/см2. Більш низькі значення щільності потужності руйнування обумовлені неоднорідністю кристалів CdS. Крім того, теплопровідність CdS нижче, ніж GaAs. І, нарешті, кристали CdS мають меншу механічну міцність.
На основі експериментальних результатів створена аналітична модель процесу деградації лазерів з електронним накачуванням. Експериментально доведено, що процес деградації напівпровідникових лазерів прямо пов’язаний з генерацією й розмноженням дислокацій під час роботи лазера. При критичних значеннях і щільності дислокацій відбувається механічне руйнування матриці кристала.
Пропонується наступна модель досліджуваного явища. У ядрі дислокації виникають більші напруги, що ведуть до зсуву окремих атомів і деформації гратки кристала. Деформація гратки в ядрі дислокації приводить до зміни ширини забороненої зони на величину ?E1:
, (4)
де Eg – ширина забороненої зони напівпровідникового кристала; б – період гратки; ?б – його зміна при деформації.
Ця зміна порядку 10-2 еВ для гвинтової дислокації й 10-1 еВ – для крайової. Це, у свою чергу, приводить до збільшення ширини забороненої зони на ?E2, що за порядком величини дорівнює ?E1:
, (5)
де , б0 – коефіцієнт поглинання при незаповненій зоні, б – коефіцієнт поглинання при заповненій зоні.
Таким чином, коли лазер починає працювати, вихідні дислокації, які перебувають у кристалі, не можуть поглинати лазерне випромінювання через те, що ширина забороненої зони в ядрі дислокації більше ширини забороненої зони напівпровідникового кристала Eg й енергії лазерного кванта :
(6)
Однак, у процесі роботи лазера, коли щільність потужності його випромінювання наближається до критичної , напруженість електричного поля в лазерному промені стає значною:
В/см (7)
Величина для напівпровідникових лазерів змінюється в межах ~ (103-105) В/см. Вплив цього поля на дислокацію полягає в тім, що в ньому зрушується край власного поглинання ядра дислокації убік меншої енергії фотонів, тобто більш довгих хвиль. Інакше кажучи, ширина забороненої зони в ядрі дислокації зменшується на величину:
(8)
Вірогідність утворення дислокаційної лавини із щільністю дислокацій , необхідних для утворення й розвитку мікротріщин, має вигляд:
, (9)
де сД – щільність дислокацій, що утворяться в напівпровіднику за 1 секунду; – початкова (вихідна) щільність дислокацій; L – середній розмір дислокаційної лавини, що припадає на 1 см2.
З (9) одержимо середній час поширення дислокаційної лавини:
(10)
Середню швидкість процесу руйнування кристала (число міжатомних зв’язків, що розриваються в одиницю часу) можна представити формулою (за аналогією з механізмом дифузійного руйнування металів):
, (11)
де N – число напружених зв’язків на довжині в 1 см; – частота власних теплових коливань атомів у кристалічній гратці; E0 – енергія розриву міжатомних зв’язків у гратці; – постійна Больцмана; T – абсолютна температура.
З виразів (10) і (11) знайдемо середню довжину утворених мікротріщин:
(12)
Таким чином, лавиноподібний процес розмноження дислокацій під дією власного випромінювання напівпровідникового лазера визначає лавиноподібний характер розвитку й розмноження мікротріщин у кристалі. Цей процес триває безупинно до загального механічного руйнування поверхні торців лазерного резонатора. Запропонована модель механізму деградації дозволить зробити вибір напівпровідника й оцінку режиму роботи лазера в умовах підвищеної потужності випромінювання.
У четвертому розділі науково обгрунтовані конструкторські та технологічні заходи покращення характеристик НЛЕН: зменшення порогів генерації, збільшення потужності випромінювання, стійкості до дії зовнішних та внутрішних факторів. На підставі виконаних досліджень обгрунтовані вибір і сформульовані вимоги до напівпровідникових матеріалів й умов їхньої роботи для створення ефективних і стабільних лазерів із заданою довжиною хвилі випромінювання в інтервалі 0,5-4,0 мкм. (табл.1).
Таблиця 1
Параметри напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням (НЛЕН)
№ з/п | Робоча речовина напівпровід-никової
мішені | Положення максимуму спектра випроміню-вання, нм | Максимальна потуж-
ність випро-мінювання
при
ф=10-7с, Вт | Тривалість імпульсів,
с | Частота проходження импульсів,
Гц
1 | GaAs | 830 | 300 | 2. 10-10 - 10-6 | 10-500
2 | GaSb | 1620 | 50-100 | 2. 10-8 – 10-6 | 10-1000
3 | Ga1-xAlxSb | 1120-1590— | “ — | 10-9 – 10-6 | 10-500
4 | Ga1-xInxSb1-yAsy | 1950-2040 | 20-60 | 2. 10-8 – 10-6 | 10-500
5 | GaxIn1-xAsyP1-y | 1060 | 100— | “ —— | “ —
Конструкція напівпровідникових активних елементів визначається як видом накачування (поперечним або поздовжнім), так і призначенням приладу. У приладах з поперечним накачуванням, у яких діаметр променя становив 1-2 мм, мішень являє собою одиночний напівпровідниковий кристал, виконаний у вигляді резонатора Фабри-Перо. У приладах з великим діаметром електронного променя (5-10 мм) використовувалася багатоелементна мішень, що складається з одиночних резонаторів, припаяних на окремі молібденові кристалотримачі або на монолітний металевий тримач, який має посадкові місця для кристалів у вигляді “драбинки” (рис. 6а).
Рис. 6. Схематичний вид мішеней.
Технологія виготовлення лазерів з електронним накачуванням має специфічні вимоги до напівпровідникових резонаторів, збуджуваних електронним променем.
Розглянуто принцип підвищення потужності когерентного випромінювання шляхом використання у НЛЕН багатоелементних мішеней (рис. 7.).
Рис. 7. Багатоелементний лазер: а – з поперечним збудженням;
б – з поздовжнім збудженням і виносним дзеркалом.
Поділ напівпровідникової пластини на окремі комірки, оптично незалежні одна від одної, є практичною реалізацією багатоелементного лазера. На мішенях досить великого розміру можна одержати потужність випромінювання ~ 5 ,3.106 Вт і більше.
Повна оптична ізоляція елементів мішені, що досягається шляхом виготовлення прохідних пазів і заповнення їх поглиначем, а також оптимізація геометричних розмірів окремого елемента й коефіцієнта відбиття R2 дозволили досягти питомої потужності лазерного випромінювання, порога генерації і ККД на багатоелементних мішенях, близьких до параметрів лазерного випромінювання вихідного матеріалу (рис. 8).
Максимальна імпульсна потужність лазерного випромінювання, отримана на мішені із сульфіду кадмію, становила 9 МВт при площі випромінюючої області ~ см2, а на мішені з арсеніду галію – 1,7 МВт при площі ~ см2. При цьому енергія світлового імпульсу, обмірювана каліброваним калориметром, була 55 мДж на CdS й 17 мДж на GaAs.Використовувалося пасивне охолодження активного елемента, при якому енергія електронного пучка, що виділилася, йде на розігрів сапфірової підкладки.
Рис. 8. Ватт-амперні характеристики багатоелементних мішеней з GaAs (1) і CdS (2) при площі опроміненої області 0,3 см2.
На рисунку 9 представлені експериментальна (1) та розрахована (2) залежності ККД лазера в від коефіцієнта відбиття вихідного дзеркала R2:
(13)
Рис. 9. Залежність ККД лазера від коефіцієнта відбиття вихідного дзеркала при d = 0,5 мм:
1 – експеримент; 2 – розрахунок.
ВИСНОВКИ
Сучасна оптоелектроніка експлуатує напівпровідникові інжекційні лазери (НІЛ). Окрім відомих переваг, їм властивий ряд суттєвих недоліків, пов’язаних з необхідністю створення p-n – переходу та омічних контактів. Для усунення таких недоліків слід використовувати напівпровідникові лазери з електронним накачуванням (НЛЕН). При цьому з’являється можливість використання значно більшого кола напівпровідникових з’єднань груп А2В6 і А3В5 і твердих розчинів на їх основі, суттєво розширити діапазон значень довжини хвилі випромінювання, збільшити потужність випромінювання, термін служби приладів тощо.
У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової задачі, що полягає в удосконаленні методів, методик конструкторських і технологічних заходів покращення експлуатаційних характеристик НЛЕН.
Головні наукові та практичні результати роботи.
1. Удосконалено моделі, що описують залежності основних характеристик напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням на основі сполук груп А2В6 і А3В5 від фізико-хімічних властивостей матеріалу активного середовища та умов його збудження.
Наукова новизна полягає у тому, що на відміну від відомих, удосконалені моделі визначають комплексно залежність спектральних і енергетичних характеристик приладів від зонної структури, умов легування матеріалу активного середовища, а також від рівня його збудження електронним пучком.
2. Запропоновані моделі процесів деградації активного середовища таких лазерів.
Відмінною особливістю цих моделей, що визначає їх наукову новизну, є встановлення ефекту самофокусування і руйнування матеріалу у світлових каналах, проявлення деградації через пластичну деформацію кристалу, уточнення механізму повільної деградації для CdS та GaAs.
3. Визначені закономірності впливу електронів з енергією вище порога утворення дефектів на властивості матеріалів активного середовища та характеристики лазерів даного типу. Розроблена методика підвищення стійкості властивостей сполук А2В6 і А3В5 шляхом імпульсного радіаційного відпалу.
Наукова новизна результатів досліджень полягає у визначенні порогу виникнення дефектів в умовах електронного накачування кристалів CdS та GaAs, граничної дози їх опромінення до зміни властивостей, встановленні ефекту відпалу дефектів при імпульсному опроміненні.
4. Науково обґрунтовані конструкторські та технологічні засоби, що дозволяють покращувати основні параметри лазерів даного типу.
Особливістю цих результатів, що визначає їх наукову новизну, є формулювання вимог до матеріалу, конструкції та технології виготовлення приладів, визначення умов усунення побічної (повздовжньої) генерації випромінювання, пропозиції застосування та технології виготовлення приладів з багатоелементними мішенями.
5. На основі отриманих наукових результатів запропоновано методики вибору властивостей те технології виготовлення активного середовища ефективних НЛЕН, створені експериментальні зразки лазерів на основі сполук А2В6 і А3В5 та їх твердих розчинів, забезпечено підвищення надійності приладів, запропоновано технологію виготовлення багатоелементних мішеней для підвищення потужності випромінювання лазерів.
Таким чином, сукупність отриманих у дисертації нових наукових результатів, їх наукова та практична значимість дозволяють вважати, що сформульоване вище наукове завдання вирішено, а мета дослідження досягнута.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ
1. Напівпровідникові лазери з електронним накачуванням. Том 1. Механізми генерації, властивості випромінювання. Монографія / О.С. Гаркавенко, С.В. Лєнков, В.А. Мокрицький, О.С. Пашков. – Одеса, Поліграф, 2006.- 442 с.
2. Лєнков С.В., Пашков О.С., Видолоб В.В. Дослідження модуляційних властивостей кристалів CdS в інфрачервоному діапазоні при оптичному накачуванні // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. – К., 2006. – №3. – С. 56-59.
3. Пашков О.С. Моделі деградації інфрачервоних випромінювачів// Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. – К.: 2006. – №4. – С. 92-98.
4. Лукомський Д.В., Мариненко О.А., Пашков О.С. Пасивація поверхні фотоелектричних перетворювачів за допомогою окислу кремнію в умовах серійного виробництва // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. – К.: 2007. – №14. – С. 17-19.
5. Лєнков С.В., Видолоб В.В., Пашков О.С. Дослідження впливу термічних градієнтів при виготовленні електронних приладів на процеси дефектоутворення // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. – К.: 2006. – №15. – С. 77-80.
6. Пашков О.С. Аналіз природи переходів в задачах підвищення ефективності генерації в лазерах GaAs // Нові технології. – Кременчук. – 2006. – №4 (14). – С. 16-20.
7. О.S. Pashkov. Investigation of laser effect in specially neat and doped crystals СdS // Межведомственный научный сборник “Фотоэлектроника”. – Одеса. – 2007. – № 16. – С. 19-21.
8. Мокрицький В.А., Лепіх Я.І., Пашков О.С. Властивості оптичних вікон для сенсорів ІЧ діапазону фазометрів // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. – Одеса. – 2007. – № 1. – С. 35-37.
9. Мокрицький В.А., Пашков О.С., Видолоб В.В. Щодо удосконалення напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням // Матеріали міжвузівської науково-практичної конференції “Сучасні напрямки розвитку сухопутних військ Збройних Сил України”. – Одеса , – 2006. – С. 61-62.
10. Міжнародна наукова конференція “СІЕТ - 2007” (21-25 травня 2007 р.), м. Одеса.
Пашков О.С. Напівпровідникові лазери з електронним накачуванням на основі сполук груп А2В6 і А3В5 з покращеними експлуатаційними характеристиками. – Рукопис.
Спеціальність 05.27.01 – Твердотільна електроніка. Захист відбудеться в Одеському національному політехнічному університеті, м. Одеса, 2007 р.
Дисертацію присвячено створенню та удосконаленню методів покращення експлуатаційних характеристик напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням. Досліджено використання бінарних, трьох- та чотирьохкомпонентних твердих розчинів сполук груп А2В6 і А3В5 для створення лазерів такого типу на діапазон довжини хвилі випромінювання 0,3-10,6 мкм.
Встановлені залежності спектральних, порогових, енергетичних характеристик напівпровідникових лазерів від фізико-хімічних властивостей напівпровідників, типу домішок і ступеня легування, робочої температури й рівнів збудження активного середовища.
Проведені дослідження процесів деградації лазерів даного типу.
Обґрунтовано вибір і сформульовані вимоги до напівпровідникових матеріалів й умов їхньої роботи для створення ефективних і стабільних лазерів із заданою довжиною хвилі в інтервалі 0,5-4,0 мкм. Розроблені й виготовлені експериментальні зразки лазерів з електронним накачуванням, удосконалено технологіювиготовлення багатоелементних мішеней.
Ключові слова: електрон, накачка енергії, напівпровідникові сполуки, лазер, довжина хвилі, епітаксія.
Пашков А.С. Полупроводниковые лазеры с электронным накачиванием на основе групп А2В6, А3В5. с улучшенными эксплуатационными характеристиками. – Рукопись.
Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника. Защита состоится в Одесском национальном политехническом университете, г. Одесса, 2007 р.
Диссертация посвящена созданию и совершенствованию методов улучшения эксплуотационных характеристик параметрами полупроводниковых лазеров с электронным накачиванием. Исследовано применение бинарных, трьох- и четырьохкомпонентных твердых растворов соединений групп А2В6 і А3В5 для создания лазеров такого типа с диапазоном длины волны излучения 0,3-10,6 мкм.
Полупроводниковый лазер с электронным накачиванием (ПЛЕН) быстрыми электронами имеет ряд преимуществ перед приборами с другими
