Создание и исследование инжекционных лазеров с контролируемым профилем концентрации носителей на основе РbS1-xSex

Первые предложения о возможности получения лазерной генерации в полупроводниках были изложены в работах /1,2/. Вскоре появились сообщения, в которых со всей определенностью был доказан лазерный эффект в Ста Ль /3−6/. Успешная реализация инжекцион-ных лазеров на основе соединений и их твердых растворов /7/ стимулировала поиск новых лазерных материалов. Наиболее перспективными материалами для создания инжекционных лазеров для ИК области спектра (Л ^ 3 мкм) являются узкощелевые полупроводники д1У^У1# Перестраиваемые инжекционные лазеры на основе этих полупроводников находят все большее применение в качестве источников инфракрасного излучения в спектроскопии высокого разрешения /8−15/, контроле загрязнения атмосферы, оптической связи и газоанализе /16−21/. Широкое применение этих приборов в различных областях науки и техники обусловлено рядом их отличительных характеристик от обычных источников ИК излучения. Это, прежде всего, высокая монохроматичность, узкая линия излучения (менее 10″ ^ см" *) и возможность сравнительно легкой перестройки частоты генерации при внешних воздействиях (при изменении температуры, давления и магнитного поля /8,10,22−28/). С помощью инжекционных лазеров на основе полупроводников А^В^* таких как Pt> S, РЬ5е, РЬТеи твердых растворов Pb 5, х Sex, Pb^Sn* Se, РЬ.-к sOcTe «РЬ^кСо1х S и Pb^xG-exTe, варьируя состав X, можно перекрыть диапазон длин волн от 2,5 до 32 мкм (рис.1). В этот диапазон попадают линии поглощения во вращательном и колебательном спектрах большинства газов присутствующих в.

ВОЛНОВОЕ тело, см" 1.

5000 3000 2000 1500 1000 900 800 315.

— h—1−1 ill-1-ii I iM.

РЬ,.МТе Pb (.xSn хте.

——-и-«.

PbMCelS.

PbVxSex Pb. Sn Se.

HCt CO нгсо csz.

Qs CH< NH. NHs, NHtO.

I coj H?0 NO, so2 sf6, c, h< NO [.

6 8 10 ДЛИНА ВОЛНЫ, шм.

Рис. 1. Диапазон длин волн излучения инжекционных лазеров на основе тройных соединений с различным составом.

13/. (Прерывистая линия указывает длины волн, для КО' торых лазеры еще не были изготовлены). атмосфере. Этот диапазон включает основные «окна прозрачности» атмосферы в ИК области спектра. Использование четырехкомпонент-ных твердых растворов РЬ SnTeSe позволило также расширить диапазон рабочих длин волн ИК лазеров вплоть до Л = 46,2 мкм /29/.

Перечисленные достоинства инжекционных лазеров на основе соединений А^вУ* позволяют получать спектры поглощения, с разрешением на несколько порядков превышающих разрешение традиционных спектрометров /17,30/. Лазерные спектрометры дают возможность более детально изучить спектры поглощения газов и получить новую информацию о строении молекул.

Не менее важны также прикладные исследования связанные с газоанализом и контролем состава атмосферы. Среди них в последнее время большое внимание уделялось методам быстрого контроля химического и изотопического состава газовых смесей и методам определения концентрации вредных примесей загрязняющих атмосферу. Проблема загрязнения атмосферы промышленными отходами и контроль этого процесса с целью его уменьшения и исключения является задачей государственной важности. Она является частью широкой программы по охране окружающей среды, разработанной в нашей стране. В связи с этим в СССР 25 июня 1980 года был принят Закон об охране атмосферного воздуха. Поэтому разработка приборов для контроля уровня Загрязнения среды на основе ИК лазеров имеет принципиальное значение.

Перспективным также является использование лазерных газоанализаторов при контроле и управлении технологическими процесрос РЧД сами при разделении изотопов Х7 и у /31/, а также в химической, сталелитейной и нефтеперерабатывающей промышленности.

Примечательным является тот факт, что в последнее время появились работы, в которых лазерные спектрометры с разрешением о т см /32,33/ и трассовые измерители концентрации газов загрязняющий атмосферу /34/ были реализованы на базе лазеров, работающих в импульсно-периодическом и импульсном режимах. Это расширяет диапазон температурной перестройки и позволяет использовать лазеры при значительно больших уровнях накачки, чем в непрерывном режиме, без тепловых перегрузок, В импульсном режиме спектр поглощения может регистрироваться в течении одного импуль-ся, что весьма важно при исследовании быстропротекающих процессов.

Широкое практическое применение ИК лазеров требует улучшения их рабочих характеристик. Это прежде всего относится к дальнейшему уменьшению пороговых плотностей тока, а также к исключению деградации лазеров. Применение двойных гетероетруктур (ДГС) привело к понижению пороговых токов при температурах более 80 К /35,36/. Однако при Т < 80 К пороговые токи ДГС лазеров обычно получаются более высокими, чем у диффузионных лазеров с гомо р-п переходом. Это, по-видимому, связано с рассогласованием кристаллических решеток, что подтверждается заметной деградацией ДГС лазеров при их периодическом охлаждении от 300 К до низких рабочих температур /12,37/.

В ряде работ /38−43/ было показано, что в гомоструктурах на основе полупроводников А^В^* можно обеспечить существенное оптическое и электронное ограничение при надлежащем профиле концентрации носителей, подобное тому, которое существует в ДГС. Снижение концентрации носителей в активной области этих структур уменьшает потери на поглощение. Все это дает не только снижение пороговых токов, но и снимает проблему соглдсования кристаллических решеток.

Основой при изготовлении лазерных структур является получение совершенных эпитаксиальных слоев требуемого состава, типа проводимости, толщины и концентрации носителей. Этим требованиям вполне удовлетворяет метод «горячей стенки» /44/, который характеризуется условиями роста эпитаксиальных слоев максимально приближенными к термодинамическому равновесию. Этот метод позволяет осуществить точный контроль состава и толщины выращиваемых эпитаксиальных слоев и концентрации носителей в них, т. е. метод «горячей стенки» может обеспечить создание наиболее контролируемым образом необходимого профиля концентрации носителей в активной области лазерной структуры.

Таким образом, возросший интерес к инжекционным лазерам на основе полупроводников А^В^, связанный с их широким применением в различных областях науки и техники, и возможностью дальнейшего улучшения их рабочих параметров, определяют актуальность диссертационной темы.

Целью данной работы являлось создание инжекционных лазеров с контролируемым профилем концентрации носителей в активной области на основе полупроводников Рb Sex методом «горячей стенки». При этом основное внимание уделялось диапазону длин волн вблизи 4,7 мкм, соответствующему линии поглощения газа СО. Показатель преломления PbS, xSex, как было показано в работах /45,46/, сильно зависит от концентрации носителей заряда. Это свойство является благоприятным для реализации лазерных структур с контролируемым профилем концентрации носителей.

Исходя из поставленной цели в задачи исследования входило:

I. Изготовление установки для выращивания эпитаксиальных слоев методом «горячей стенки» применительно к материалам Pb S^Se^ Исследование влияния условий роста на кристаллическую структуру и электрические свойства эпитаксиальных слоев.

2. Изучение оптических свойств эпитаксиальных пленок.

PbS, xSex .

3. Отработка методики изготовления лазерных структур. Создание и оптимизация параметров инжекционных лазеров. Исследование их излучательных характеристик.

Автором представляются к защите:

— результаты исследования электрических свойств эпитаксиальных слоев РЬ Sex э выращенных методом «горячей стенки» и влияния условий роста на их кристаллическую структуру и электрические свойства, показавшие, что подвижность носителей заряда в р слоях, выращенных при оптимальных условиях, достигала 15 000 см /В.с при 77 К и не уступала значениям, получаемым на хороших объемных монокристаллах;

— результаты впервые проведенного исследования зависимости дисперсии показателя преломления РЬ S Se" длЯ промежуточного составов 0 < х < I от концентрации носителей заряда и температуры, позволившие оценить величину скачка показателя преломления в структурах с контролируемым профилем концентрации носителей и гетероструктурах;

— результаты исследования зависимости высокочастотной диэлектрической проницаемости полупроводников РЬ.

0? х ^ I) от состава, показавшие, что увеличение в^ с ростом содержания Р b Se в твердом растворе обусловлено уменьшением средней энергетической щели, а уменьшение в &bdquo-о с ростом температуры подтверждает результаты теоретических работ, и связано с воз.

— 10 буждением оптических фононов и увеличением средней щели;

— результаты исследования характера поглощения ИК излучения в эпитаксиальных слоях РЬ * показавшие, что при Т = 80 К, концентрациях носителей более 5−10^ см~^ и, А >8 мкм преобладающим является поглощение на свободных носителях, которое удовлетворительно описывается классическим друдовским выражением;

— новая методика изготовления лазерных структур на основе Pb Sex, в которой все слои (в том числе и подложка) выращены методом «горячей стенки» ;

— результаты экспериментального исследования зависимостей пороговой плотности тока от температуры и толщины активной области, а также картины дальнего поля излучения инжекционных лазеров.

Ь «V с контролируемым профилем концентрации носителей П — р — р

0,65 ^^0,35 9 показавшие наличие оптического и электронного ограничения в таких структурах- +.

— результаты расчетов для оптимизации структуры П ~Р~Р лазеров на основе математической модели, позволившие добиться значительного снижения пороговых плотностей тока;

— результаты исследования квантовой эффективности и мощности излучения лазеров на основе Pb Sex с различной структурой, показавшие, что квантовые эффективности и мощности излучения П±р-р+ РЬ Soe5^ео, 55 лазеров такого же порядка, что и для лучших диффузионных лазеров;

— результаты исследования перестройки частоты излучения р-р+ РЬ 5 rSe лазеров при параллельной накачке t г 0|Ьэ 0,58 импульсным и постоянным током;

— результаты исследования деградации рабочих характеристик инжекционных лазеров при температурных циклах, показавшие значительно более высокую стабильность порогового тока n*- р — р+ Р b So65 Se035 лазеров по сравнению с ДГС лазерами.

Оптимизация параметров n±p-p+ Pb S06S Seoi5 лазеров позволила снизить пороговые плотности до 25 А/см^ при 4,2 К, что является самым низким порогом зарегистрированным в настоящее время для эпитаксиальных структур на основе о.

При 77 К порог был снижен до 700 А/см, что сравнимо с лучшими значениями полученными для инжекционных лазеров с гетеропереходами.

Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список литературы из 163 наименований. Общий объем работы составляет 176 страниц текста, включая 12 таблиц и 51 рисунок.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на семинарах лаборатории физики полупроводников ФИАН СССР, на всесоюзной конференции по перестраиваемым лазерам (Душанбе, 1983 г.) и опубликованы в работах /100,104,114,115/.

В заключении выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Шотову А. П. за интересную предложенную тему исследования, за постоянный интерес к работе и ценные советы, за постоянную поддержку на всех этапах исследовательской работы.

Я весьма признателен, и хочу выразить глубокую благодарность за поддержку и интерес к работе заведующему лабораторией физики полупроводников академику Вулу Б.М.

Выражаю большую благодарность инженерам Бабушкину А. В., Чижевскому Е. Г. и Загорскому Д. Л., старшему лаборанту Красиль-никовой Г. А. за помощь в осуществлении экспериментальных исследований.

Выражаю также благодарность научным сотрудникам лаборатории физики полупроводников ФИАН СССР кандидатам физико-математических наук Гришечкиной С. П., Кучеренко И. В. и Вороновой И. Д. за полезные обсуждения и помощь в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа была посвящена созданию и исследованию инжекционных лазеров на основе PbS, xSex с целью снижения пороговых плотностей тока и исключению деградационных эффектов, связанных с периодическим охлаждением лазеров до низких рабочих температур.

Сравнение инжекционных лазеров с различной структурой с учетом результатов исследования подобных лазеров другими авторами показало, что наиболее перспективными для достижения намеченных целей являются п±р-р+ РЬ Se.^ структуры с контролируемым профилем концентрации носителей. Использование таких структур позволяет снять проблему согласования кристаллических решеток и обеспечить оптическое и электронное ограничение такого же порядка, что и в лазерах с гетеропереходами.

Лазерные структуры были изготовлены методом молекулярной эпитаксии в квазизамкнутом объеме с горячими стенками, именуемым методом «горячей стенки». Усовершенствование и модификация установки для выращивания эпитаксиальных слоев методом «горячей стенки» применительно к материалам PbS4-xSex позволили выращивать эпитаксиальные слои с высоким кристаллическим совершенством, большой подвижностью носителей заряда с требуемой концентрацией носителей.

Оптимизация характеристик слоев, составляющих лазерную структуру" исходя из результатов полученных при расчете волноводных свойств таких структур с помощью теоретической модели, а также точный контроль реально получаемого профиля концентрации и качества р-П перехода путем измерения вольт-амперных и вольт-емкостных.

— 153 характеристик, обеспечила снижение пороговой плотности тока до 25 А/см^ при 4,2 К, что является наименьшим порогом зарегистрированным к настоящему времени для эпитаксиальных структур на основе РЬ, и до 700 А/см^ при 77 К, что также является низким порогом сравнимым с порогами, полученными для лучших Д1″ С РЬ S., x 5еЛ при 77 К. Это открывает широкие перспективы практического использования этих структур.

Исследования излучательных свойств п*-р-р+ структур доказали наличие оптического и электронного ограничения в таких структурах, что имеет принципиальное значение для изготовления и дальнейшего улучшения рабочих характеристик подобных лазеров для широкого их использования.

Полученные результаты по оптическим свойствам Pb S^x5e.x представляют самостоятельный интерес.