ЛАЗЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА Российский патент 1996 года по МПК H01J31/08 H01S3/19 

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах, где используется сканирующий световой луч, в частности в телепроекторах.

Известна лазерная электронно-лучевая трубка, являющаяся сканирующим полупроводниковым лазером с продольной накачкой электронным пучком и содержащая источник электронного пучка и средства его управления, а также лазерную мишень, представляющую собой полупроводниковую пластину с зеркальными покрытиями, образующими оптический резонатор, приклеенную к хладопроводящей прозрачной для генерируемого излучения подложке (Насибов А.С. Лазерная электронно-лучевая трубка новый прибор квантовой электроники. Вестник АН СССР. 1984, N 9, с.48-56).

Лазерный луч генерируется из того места на лазерной мишени, где находится сфокусированный электронный пучок. Сканирование лазерного луча и модуляция его интенсивности осуществляются путем сканирования электронного пучка и изменения его тока.

Недостатком устройства является то, что достаточно высокая эффективность генерации и большой срок службы лазерной мишени достигается одновременно лишь при криогенных температурах.

Известна лазерная электронно-лучевая трубка, у которой лазерная мишень выполнена в виде полупроводниковой двухслойной гетероструктуры [1]
Более узкозонный слой CdS_xSe_1-x возбуждается электронным пучком, и его толщина примерно равна характерной глубине проникновения электронного пучка в гетероструктуру. Более широкозонный слой CdS имеет в несколько раз большую толщину и выполняет две функции. С одной стороны, он удаляет зеркальное полупрозрачное покрытие и клеевой слой из зоны возбуждения электронным пучком и тем самым увеличивает срок службы лазерной мишени, а с другой стороны, он, являясь более широкозонным, не поглощает генерируемое излучение и тем самым позволяет принципиально повысить рабочую температуру лазерной мишени.

Однако при данном устройстве лазерной мишени эффективность излучения лазерной электронно-лучевой трубки, излучающей в видимом диапазоне излучения при комнатной температуре, низка. Это является следствием дефектности предлагаемой гетероструктуры.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является лазерная электронно-лучевая трубка, содержащая источник электронов, средства его управления и лазерную мишень, включающую в себя образующие оптический резонатор два зеркала, активную полупроводниковую среду, помещенную между зеркалами, и опорную подложку для оптического резонатора [2]
В данном устройстве лазерная мишень выполнена из трехслойной гетероструктуры полупроводниковых соединений A^IIIB^V, согласованных по параметрам кристаллической решетки. Условие согласования параметров решетки является существенным условием получения гетероструктуры с малым содержанием структурных дефектов, что позволяет использовать эту структуру для достижения высокой эффективности генерации при комнатной температуре.

Недостатком устройства является то, что условие согласования параметров кристаллической решетки накладывает жесткие ограничения на выбор полупроводниковых соединений, из которых может быть изготовлена бездефектная или малодефектная гетероструктура для лазеров с продольной накачкой электронным пучком. Практически такие лазеры реализованы лишь в инфракрасной области спектра излучения на основе полупроводниковых соединений GaAs и AlAs, у которых периоды кристаллической решетки различаются менее, чем на 0,1% хотя эффективность этих лазеров остается не достаточно высокой.

Целью изобретения является создание такой конструкции лазерной мишени, которая позволила бы достигнуть высокой эффективности генерации и большого срока службы лазерной электронно-лучевой трубки при использовании широко класса полупроводниковых соединений.

Другой целью изобретения является увеличение эффективности лазерной электронно-лучевой трубки, излучающей в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра, у которой лазерная мишень находится при комнатной температуре.

Остальные цели изобретения будут ясны после рассмотрения сущности заявляемого технического решения.

Цели реализуются в лазерной электронно-лучевой трубке, содержащей источник электронного пучка, средства его управления и лазерную мишень, выполненную по меньшей мере частично из гетероструктуры и включающую в себя образующие оптический резонатор два зеркала, одно из которых частично пропускающее активную полупроводниковую среду, помещенную между зеркалами, и опорную подложку для оптического резонатора, причем по меньшей мере часть гетероструктуры содержит напряженные элементы, у которых параметры кристаллической решетки в свободном состоянии различаются на величину вплоть до 10% или более и которые в гетероструктуре имеют когерентные границы.

Для упрощения конструкции и способа его изготовления напряженные элементы выполняют в виде напряженных слоев, ориентированных перпендикулярно оси оптического резонатора. Толщина слоев зависит от степени рассогласования параметров кристаллической решетки этих слоев в свободном, ненапряженном состоянии. Чем меньше это рассогласование, тем больше может быть толщина слоев. Для каждого рассогласования имеется предельная толщина каждого слоя, превышение которой приводит к проявлению структурных дефектов типа дислокаций несоответствия на границах этих слоев, и границы становятся некогерентными (J.W. Matthews and A.E. Blackeslee. J.Crystal Growth, 1974, vol.27, p. 118). (Под когерентной границей здесь подразумевается отсутствие на ней структурных дефектов). Если границы между слоями некогерентны, то порог генерации лазерной мишени повышается и уменьшается эффективность ее излучения, что в конечном счете приводит к уменьшению мощности и яркости лазерной электронно-лучевой трубки.

В лазерных мишенях, изготавливаемых из полупроводниковых соединений, у которых параметры кристаллической решетки различаются более, чем на 10% предпочтительнее использовать по меньшей мере один слой толщиной в монослой.

Одним из существенных отличий лазерной мишени от инжекционных полупроводниковых лазеров, где используются гетероструктуры с напряженными слоями, является то, что область возбуждения в лазерных мишенях определяется глубиной проникновения электронного пучка, превышающей для мощных проекционных лазерных электронно-лучевых трубок 10 мкм. Поэтому все основные элементы лазерной мишени имеют размеры вдоль оси резонатора от 1 до 10 мкм и более. С другой стороны, большинство известных полупроводниковых сред, используемых для изготовления лазерных мишеней, особенно для излучающих в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, имеют различие параметров кристаллической решетки в несколько процентов, а следовательно, в гетероструктурных лазерных мишенях когерентность гетерограниц может достигаться только при использовании напряженных слоев толщиной в основном меньше 10 нм. Это приводит к тому, что гетероструктурная лазерная мишень состоит из нескольких десятков или даже сотен напряженных слоев. В этом случае для упpощения устройства лазерной мишени и технологии ее изготовления целесообразно использовать в качестве напряженных слоев по меньшей мере части лазерной мишени чередующиеся слои с постоянной толщиной двух или более соединений, образующие одномерную сверхрешетку. Одномерная сверхрешетка двух или более кристаллических соединений обладает новыми качествами, которые уменьшают в ряде случаев порог генерации и повышают эффективность излучения лазерной электронно-лучевой трубки в целом.

Для уменьшения порога генерации особенно целесообразно применение одномерной сверхрешетки с напряженными слоями в по меньшей мере части активной полупроводниковой среды, в частности в области непосредственного возбуждения электронным пучком.

Для получения излучения в диапазоне от ближней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой области целесообразно элементы активной полупроводниковой среды выполнять из по меньшей мере двух полупроводниковых соединений типов A^IIB^VI или A^IIIB^V, различающихся шириной запрещенной зоны по меньшей мере на 7 мэВ. Поскольку лазерные мишени преимущественно работают при температурах выше 80 К (примерно 7 мэВ по энергии), изготовление лазерной мишени из гетероструктуры с меньшим, чем 7 мэВ, различием в ширине запрещенной зоны отдельных ее элементов не приведет к улучшению лазерных характеристик по отношению к лазерной мишени с однородной активной полупроводниковой средой, а будет лишь уступать ей в отношении сложности технологии изготовления.

Наиболее простой в исполнении одномерной сверхрешеткой является варизонная сверхрешетка. В этом случае период сверхрешетки составляет несколько периодов кристаллической решетки и в пределах этого периода происходит плавное изменение ширины запрещенной зоны. Это изменение может достигаться путем изменения состава используемого для этих целей твердого раствора, либо путем изменения концентрации и типа легирующей примеси. Во всех случаях эти изменения не должны сопровождаться возникновением структурных дефектов, в том числе точечных, которые бы ухудшали излучательные характеристики лазера. Преимущество такой лазерной мишени заключается в том, что она может быть изготовлена более дешевыми и производительными установками.

Более сложной в изготовлении, однако дающей наибольший положительный эффект в уменьшении порога генерации и повышении эффективности излучения, является лазерная мишень, у которой каждый второй слой многослойной активной полупроводниковой среды имеет постоянную толщину и выполнен из полупроводникового соединения с постоянным составом, а первый и все последующие промежуточные слои имеют различающуюся толщину и выполнены из твердого раствора полупроводниковых бинарных соединений одного типа, имеющего более широкую запрещенную зону, чем каждый второй слой, и состав которого изменяется согласованно с толщиной слоя на величину, необходимую для установления единого для всех слоев периода кристаллической решетки вдоль слоев.

Сущность данного предложения заключается в том, чтобы наиболее полно использовать в генерации энергию неравновесных носителей слабо возбужденных областей активной полупроводниковой среды, наличие которых является следствием неоднородности возбуждения лазерной мишени в лазерной электронно-лучевой трубке. Поэтому предпочтительно, чтобы суммарная толщина соседних двух слоев активной полупроводниковой среды изменялась вдоль направления оси оптического резонатора обратно пропорционально поглощенной этими двумя слоями доли энергии электронного пучка. При этом установление единого для всех слоев периода кристаллической решетки вдоль слоев, что обеспечивает бездефектность активной полупроводниковой среды и высокую ее эффективность, целесообразно достигать тем, что полупроводниковые соединения с постоянным составом выполняют из первого бинарного соединения A₁B₁, а слои с переменным составом выполнены из твердого раствора соединения A₁B₁ и второго бинарного соединения A₂B₂, причем молярная доля х соединения A₂B₂ в твердом растворе (A₁B₁)_1-x(A₂B₂)_x в каждом слое с переменным составом связана с толщиной этого слоя соотношением
x C · ([1 + D(1 + h₁/h₂)]^0,5 1) (1) где х молярная доля соединения A₂B₂ в твердом растворе (A₁B₁)_1-x(A₂B₂)_x; h₁ постоянная толщина слоев соединения A₁B₁; h₂ переменная толщина слоев твердого раствора (A₁B₁)_1-x(A₂B₂)_x, а С и D положительные числа, зависящие от выбора элементов A₁,A₂,B₁,B₂ и периода кристаллической решетки структуры с напряженными слоями вдоль слоев.

Во всех случаях целесообразно толщину активной полупроводниковой среды выбирать в диапазоне от 0,2 до 2 длины среднего спрямленного пробега электрона электронного пучка в полупроводниковой среде, R_o. Характерная глубина возбуждения среды обычно в 4-5 раз меньше R_o. Поэтому, если толщина активной полупроводниковой среды будет меньше 0,2R_o, то эффективность лазерной электронно-лучевой трубки будет уменьшаться существенно, так как часть энергии возбуждения будет проникать в подложку и превращаться полностью в тепло. Если толщина активной полупроводниковой среды будет больше 2R_o, то будет увеличиваться порог генерации лазерной мишени, связанный с увеличением потерь в невозбужденной части активной среды и увеличением дифракционных потерь, что приведет к уменьшению эффективности излучения лазерной электронно-лучевой трубки.

Поскольку одна из поверхностей лазерной мишени в лазерной электронно-лучевой трубке облучается сканирующим электронным пучком и толщина активной полупроводниковой среды мала, то тепло, выделяемое в активной среде, может отводиться в подложку только через одно из зеркал, находящееся между подложкой и активной средой. Поэтому для улучшения теплоотвода целесообразно активную полупроводниковую среду и по меньшей мере одно из зеркал, обращенные к подложке, выполнять в виде единой гетероструктуры. Дальнейшее улучшение теплоотвода, а также увеличение срока службы лазерной мишени, а следовательно, и лазерной электронно-лучевой трубки достигаются тем, что подложка выполняется монокристаллической, а одно из зеркал и полупроводниковая среда последовательно когерентно нарощены на нее, причем период кристаллической решетки подложки вдоль поверхности лазерной мишени совпадает с периодом кристаллической решетки зеркала и полупроводниковой среды.

На фиг.1 представлена лазерная электронно-лучевая трубка, общий вид; на фиг. 2-4 представлены различные варианты исполнения лазерной мишени; на фиг. 5-8 представлены распределения ширины запрещенной зоны активной полупроводниковой среды в направлении нормали к поверхности лазерной мишени, соответствующие различным вариантам ее исполнения.

Лазерная ЭЛТ содержит источник 1 электронов в виде триодной электронной пушки, средство 2 для управления электронным пучком, включающее электростатический модулятор 3, фокусирующую систему 4, отклоняющую систему 5, и лазерную мишень 6, состоящую из оптического резонатора, образованного зеркальными покрытиями 7 и 8, активной полупроводниковой среды 9 и прозрачной пластины 10. Лазерная ЭЛТ может быть выполнена в виде отпаянной трубки, а отдельные ее элементы помещены либо в вакуумный объем, либо вне его, как это показано на фиг.1. Однако лазерная ЭЛТ может быть выполнена и в виде разборной системы, аналогично электронному микроскопу. Конкретное исполнение лазерной ЭЛТ и ее элементов 1-5 не является предметом изобретения. Изобретение касается лазерной мишени 6, конструкция которой зависит от энергии электронов падающего на мишень электронного пучка 11, а также от способа вывода излучения 12 из мишени 6. Излучение может быть выведено через подложку 10 ("трубка на просвет"), и в этом случае подложка должна быть прозрачной и хладопроводящей, или в сторону облучения электронным пучком ("трубка на отражение"). В последнем случае подложка не обязательно должна быть прозрачной, однако вывод излучения из вакуумируемого объема значительно затруднен.

Лазерная ЭЛТ работает следующим образом. Источник 1 электронов формирует слабо расходящийся пучок 11 электронов, который модулируется по току электростатическим модулятором 3, фокусируется фокусирующей системой 4 и отклоняется в заданную точку лазерной мишени 6 отклоняющей системой 5. Проникая через зеркальные покрытия 7, электронный пучок 11 генерирует неравновесные электронно-дырочные пары в активной полупроводниковой среде 9. При этом в среде 9 возникает катодолюминесценция и оптическое усиление и при наличии оптического резонатора, образованного зеркалами 7 и 8, возникает генерация лазерного луча 12, выходящего из вакуумного объема на фиг.1 через прозрачную подложку 10.

На фиг.2 и 3 представлены варианты лазерного экрана, в которых активная полупроводниковая среда 9, помещенная в оптический резонатор, образованный зеркальными покрытиями 7 и 8, и закрепленная с помощью скрепляющего слоя 13 на подложке 10 содержит упруго напряженные элементы по меньшей мере двух типов 14 и 15. Элемент 14 выполнен из более узкозонного соединения, а элемент 15 из более широкозонного. Форма этих элементов может быть самая разнообразная в зависимости от области применения лазерной электронно-лучевой трубки. Элементы 14 могут представлять собой плоские слои, ориентированные по плоскости yz (как на фиг.2, где ось y перпендикулярна плоскости фигуры), или плоскости xz, или плоскости xy (см.фиг.4), или какой-либо другой плоскости, разделенные такими же плоскими, но как правило более толстыми слоями элементами 15. Элементы 14 могут также быть выполнены в виде ограниченных по всем осям объемных фигур типа параллелепипедов, кубов, шаров, капель и т.д. как на фиг.3, погруженных в среду-элемент 15. Во всех случаях границы между элементами 14 и 15 являются когерентными. Условие когерентности границ фактически накладывает требование на размеры элементов 14 и 15, изготовленных из материалов, параметры кристаллических решеток которых в свободном состоянии различаются.

С увеличением этого различия размеры элементов 14 и/или 15 по меньшей мере в одном из направлений уменьшаются. При различии в параметрах кристаллической решетки более, чем на 10% размер элементов 14 или 15 по меньшей мере в одном из направлений не может быть более одного монослоя. В частности, кристаллы твердых растворов ряда соединений можно рассматривать как структуру с напряженными элементами. Так, например, в кристаллах твердого раствора CdS_1-xSe_x межатомное расстояние между кадмием и селеном несколько увеличено по сравнению с тем, что имеет место в чистом кристалле CdSe, а расстояние между Cd и S, наоборот, уменьшено. В этом случае напряженными элементами являются отдельные химические связи.

Элементы 14 и 15 могут также образовывать сверхрешетку, в которой пространственная зависимость ширины запрещенной зоны имеет трансляционную симметрию вида E_g(+)=E_g() где n₁• +n+n; n₁,n₂,n₃ целые числа;
а₁, а₂, а₃ базисные векторы элементарной ячейки кристалла. Это могут быть одномерные, двумерные и трехмерные сверхрешетки.

Элементы 14 и 15 не обязательно должны быть изготовлены из соединений с различной шириной запрещенной зоны в свободном состоянии. Однако в этом случае предпочтительно, чтобы, являясь составляющими элементами полупроводниковой среды 9 и находясь в напряженном состоянии, они приобрели необходимое различие в ширине запрещенной зоны.

Конструирование полупроводниковой среды 9 по меньшей мере из двух типов элементов 14 и 15, с одной стороны, необходимо для организации электронного и оптического ограничения для уменьшения порога генерации и улучшения других характеристик лазерной мишени, что широко используется в инжекционных лазерах, а с другой стороны, для лучшего согласования параметров кристаллических решеток полупроводниковой среды 9 на границах с кристаллическими зеркалами 7 и 8 и даже подложки 10. В общем случае зеркала 7,8, подложка 10 и скрепляющий слой 13 могут быть некристаллическими или несогласованными по параметрам кристаллической решетки. Однако для улучшения срока службы и увеличения общей средней мощности излучения за счет увеличения теплоотвода из полупроводниковой среды 9, а также для упрощения технологии изготовления целесообразно по меньшей мере одно из зеркал и/или подложку и скрепляющий слой делать кристаллическими и согласованными по параметрам кристаллической решетки. Согласование по параметрам решетки может достигаться не только конструированием полупроводниковой среды 9 из нескольких напряженных элементов типа элементов 14 и 15, но и путем конструирования зеркал 7 и 8, а также подложки 10 и скрепляющего слоя 13 из своих напряженных элементов. В этом случае полупроводниковая среда 9 может быть выполнена в виде одного практически ненапряженного слоя.

Наиболее простой в изготовлении вариант лазерной мишени представлен на фиг. 4. В этом варианте активная полупроводниковая среда 9 состоит из чередующихся напряженных элементов 16 и 17, выполненных в виде слоев, перпендикулярных оси Z, являющейся в данном случае оптической осью резонатора, образованного зеркальными покрытиями 7 и 8, состоящими, в свою очередь, из чередующихся слоев 18,19 и 20,21. Полупроводниковая среда 9 выполнена в виде пластины, закрепленной на подложке 10 со стороны зеркального покрытия 8 через скрепляющий слой 13.

Число типов напряженных элементов полупроводниковой среды может быть больше двух. Более того, они могут не чередоваться и быть все различны как по составу, так и по толщине. В частности, отдельный слой может иметь толщину одного монослоя. Однако для простоты изготовления целесообразно полупроводниковую среду изготавливать из малого числа чередующихся слоев с постоянной толщиной, образующих одномерную сверхрешетку.

Напряженные слои 16 и 17 могут быть выполнены из полупроводниковых соединений A^IIB^VI или из полупроводниковых соединений A^IIIB^V, различающихся шириной запрещенной зоны по меньшей мере на 7 мэВ.

На фиг.5 показан вариант распределения ширины запрещенной зоны E_gактивной полупроводниковой среды 9 вдоль оси Z. Напряженный слой 16 с меньшей шириной запрещенной зоны имеет толщину h₁, а напряженный слой 17 с большей шириной запрещенной зоны имеет толщину h₂, тем самым образуется сверхрешетка с периодом H h₁ + h₂.

На фиг. 6 представлен другой вариант выполнения полупроводниковой среды 9. Здесь сверхрешетка образована четырьмя слоями с толщинами h₁,h₂,h₃ и h₄ и шириной запрещенной зоны E_g1,E_g2 и E_g3. Использование двух дополнительных слоев с промежуточной шириной запрещенной зоны E_g2вокруг слоя с наименьшей E_g позволяет в ряде случаев организовать более эффективное электронное ограничение, которое позволяет в свою очередь понизить порог генерации и улучшить другие характеристики лазерной мишени.

Если увеличивать число промежуточных слоев, то в пределе можно перейти к качественно другому варианту выполнения полупроводниковой среды, а именно к варизонной сверхрешетке, представленной на фиг.7. Варизонная сверхрешетка по многим параметрам не уступает дискретным сверхрешеткам, однако может быть изготовлена с помощью более простых и экономичных технологий, например с помощью химического осаждения из паровой фазы CVD, в то время как дискретные сверхрешетки могут быть изготовлены при низкотемпературной эпитаксии осаждением из паров элементоорганических соединений (MOCVD) или с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE).

Еще один вариант выполнения полупроводниковой среды 9 представлен на фиг.8. На этой фигуре представлены также распределения вдоль оси z ширин запрещенных зон одного из вариантов выполнения зеркального покрытия7 толщиной h_з.1, зеркального покрытия 8 толщиной h_з.2 и подложки 10 толщиной h_под при отсутствии скрепляющего слоя 13. Зеркальные покрытия 7 и 8 могут быть выполнены в виде одного слоя, выполненного преимущественно из металла, позволяющего достичь высокий коэффициент отражения: серебра, алюминия, или в виде чередующихся преимущественно четвертьволновых по меньшей мере частично прозрачных слоев с большим (слои 18 и 20) и меньшим (слои 19 и 21) показателями преломления (см.фиг.4) или их комбинацией. Причем возможны два основных варианта выполнения лазерного экрана в целом. Это вариант, работающий на "просвет", как это показано на фиг.4, когда генерируемое излучение hν выходит из лазерного экрана через подложку 10. В этом случае скрепляющий слой 13 и подложка 10 должны быть по меньшей мере частично прозрачными, зеркальное покрытие 8 полупрозрачным (пропускание от 1 до 20%), а зеркальное покрытие 7 преимущественно высокоотражающим. Второй вариант работает "на отражение", то есть генерируемое излучение hν выходит через зеркало 7. В этом случае скрепляющий слой 13 и подложка 10 могут быть и непрозрачными, например выполненными из металла, зеркальное покрытие 7 полупрозрачным, а покрытие 8 преимущественно высокоотражающим. Зеркальные покрытия 7 и 8 обычно выполняются аморфными. Часто применяется для их изготовления вакуумное распыление металла или окислов, таких как SiO₂, ZrO₂, TiO₂, Al₂O₃, HfO₂ и др. Скрепляющий слой может быть выполнен в виде клеевой прослойки, например из эпоксидного клея типа ОК-72Ф, или в виде стеклянного слоя. Подложка обычно выполняется из высокотеплопроводящего материала: сапфира, граната или меди при работе "на отражение", кремния и т.д.

В ряде случаев целесообразно по меньшей мере одно из зеркальных покрытий 7 или 8, подложку 10 и скрепляющий слой 13 выполнять кристаллическими. В этом случае не обязательно выполнение условия когерентности границ между зеркальными покрытиями 7,8, полупроводниковой средой 9, скрепляющим слоем 13 и подложкой 10, поскольку наличие структурных дефектов вне полупроводниковой среды 9 непосредственно не сказывается на энергетических характеристиках лазерной мишени. Однако эти дефекты могут служить источниками новых дефектов, которые "прорастают" в процессе эксплуатации лазерной мишени в активную полупроводниковую среду и ухудшают характеристики лазерной мишени, главным образом снижая ее срок службы. Поэтому целесообразно, чтобы подложка 10 была монокристаллической, а зеркало 8 между подложкой 10 и полупроводниковой средой 9 и сама полупроводниковая среда 9 были последовательно когерентно нарощены на нее, причем период кристаллической решетки подложки вдоль поверхности лазерной мишени совпадал с периодом кристаллической решетки зеркала 8 и полупроводниковой среды 9. Еще лучше, если зеркало 7 обладает теми же свойствами.

Лазерные экраны электронно-лучевых трубок в зависимости от их назначений облучаются электронным пучком с энергией от 30 до 100 кэВ. Каждый первичный электрон высокой энергии, проникая в лазерный экран, движется в нем по некой ломаной траектории. Средняя длина спрямленного пробега электрона R_o зависит от среднего атомного номера облучаемой среды, от плотности этой среды и энергии электрона. Характерная глубина возбуждения среды составляет примерно 0,2R_o. Поэтому толщина полупроводниковой среды не должна быть меньше этой величины, в противном случае часть энергии электронного пучка не будет использоваться для создания неравновесных носителей и эффективность излучения лазерного экрана будет уменьшаться. Толщина полупроводниковой среды может быть больше 0,2R_o, однако, если она будет превышать 2R_o, то увеличивается порог генерации из-за увеличения дифракционных потерь при использовании для возбуждения остросфокусированного электронного пучка, а следовательно, уменьшается эффективность излучения лазерного пучка.

Толщина металлического зеркального покрытия обычно не превышает 0,1 мкм и практически не уменьшает глубину возбуждения полупроводниковой среды при нанесении его на облучаемую поверхность лазерной мишени (зеркало 7). Толщина интерференционного покрытия, выполненного из 6-8 чередующихся четвертьволновых слоев SiO₂ и TiO₂ с коэффициентом отражения R ≃ 90% обычно не превышает 1 мкм. Однако, если зеркало делается кристаллическим, то соседние слои должны иметь близкую кристаллическую структуру, а это, как правило, приводит к небольшому изменению показателя преломления. Поэтому кристаллические зеркала должны содержать примерно на порядок или даже больше число слоев и их общая толщина может достигать 10 мкм и даже более. Использование такого пассивного зеркала в качестве бомбардируемого практически не представляется возможным, поскольку его толщина сравнима с глубиной возбуждения при энергии 75 кэВ. Однако возможен вариант, когда полупроводниковая среда одновременно выполняет функции по меньшей мере одного из зеркал резонатора. В этом случае по меньшей мере часть одного из чередующихся слоев зеркала является оптически активной.

Толщина одного из чередующихся четвертьволновых слоев зеркала составляет примерно 60-80 нм. Для того, чтобы зеркало имело когерентные границы между слоями (что, как указывалось выше, увеличивает срок службы лазерной мишени), рассогласование параметров кристаллических решеток соседних слоев должно быть очень малым, порядка 0,1% и меньше, что резко сокращает набор соединений, которые могут быть использованы для изготовления зеркал. Поэтому для расширения этого набора по меньшей мере один тип четвертьволновых слоев целесообразно изготавливать также из сверхрешетки. Например, четвертьволновые слои с большим показателем преломления изготавливают из CdS, а с меньшим из сверхрешетки ZnS/CdS с периодом в несколько монослоев.

Подложка обычно делается толстой для обеспечения достаточной механической прочности, выдерживающей перепад атмосферного давления при диаметре вплоть до 60 мм, и для обеспечения достаточно эффективного теплоотвода, особенно если тепло отводится через боковую поверхность подложки. Таким образом ее толщина находится в пределах от 1 до 20 мм.

В идеальном случае, когда полупроводниковая среда 9, зеркало 8 и подложка 10 имеют когерентные границы, период кристаллической решетки лазерной мишени вдоль ее поверхности практически определяется периодом кристаллической решетки подложки, поскольку она значительно толще остальных элементов лазерной мишени.

Легче реализуется вариант, когда подложка 10 не согласована по параметру кристаллической решетки с полупроводниковой средой 9. В этом случае скрепляющий слой 13 несет функции буферного слоя, имеющего структурные дефекты типа дислокаций несоответствия, но согласующего кристаллические решетки зеркала 8 и подложки 10. В качестве буферного слоя, в частности, может быть использована также сверхрешетка с напряженными слоями.

Скрепляющий слой 13 может быть некристаллическим (в этом случае он действительно только скрепляет), если подложка 10 некристаллическая и/или она не используется в качестве подложки в ростовом процессе изготовления полупроводниковой среды 9.

Изображенная на фиг. 8 энергетическая диаграмма соответствует лазерной мишени с металлическим зеркалом 7 (толщина h_з.1, E_g 0), активной полупроводниковой средой 9 h_пс, согласованной с ионизационной кривой потерь энергии электронного пучка E_z'(z), с интерференционным кристаллическим зеркалом 8 (h_з.2) с чередующимися четвертьволновыми слоями с большим h_h и меньшим h₁ показателями преломления, причем в качестве слоев с меньшим показателем преломления выбрана сверхрешетка, и с кристаллической прозрачной для излучения подложкой 10 h_под. Каждый второй слой активной полупроводниковой среды 9 имеет постоянную толщину и выполнен из полупроводникового соединения с постоянным составом, остальные слои более широкозонные, имеют различающуюся толщину и выполнены из твердого раствора полупроводниковых бинарных соединений одного типа, причем их состав изменяется согласованно с толщиной слоя на величину, необходимую для установления единого для всех слоев полупроводниковой среды периода кристаллической решетки вдоль слоев. Например, каждый второй слой может быть выполнен из CdS, а остальные слои из Zn_xCd_1-xS с различной толщиной и параметром состава х, Причем толщина этих остальных слоев изменяется таким образом, чтобы суммарная толщина соседних двух слоев изменялась вдоль оси z обратно пропорционально поглощенной этими двумя слоями доле энергии электронного пучка.

В процессе работы лазерной мишени неравновесные электроны и дырки, генерируемые электронным пучком в области 22 возбуждения на фиг.4, скапливаются в слоях с более узкой шириной запрещенной зоны, в потенциальных ямах (происходит электронное ограничение). Таким образом достигается высокая плотность электронно-дырочных пар, которая приводит к возникновению оптического усиления. Если не делать электронного ограничения, то порог генерации возрастает и излучательные характеристики лазерной мишени ухудшаются. Плотность электронно-дырочных пар, скапливаемых в потенциальных ямах, зависит от объема кристалла вокруг этих ям, откуда они собираются, и от величины энергетических потерь электронного пучка в этом объеме. Поскольку энергетические потери изменяются по глубине кристалла согласно ионизационной кривой, то для того, чтобы в каждой потенциальной яме скапливалось одинаковое число неравновесных электронно-дырочных пар, толщину широкозонных слоев вокруг ямы надо изменять согласованно с этой кривой. Если толщина этих слоев не будет изменяться согласованно с ионизационной кривой, то в различных потенциальных ямах будет скапливаться разное число неравновесных электронно-дырочных пар, что приведет к неоднородному уширению линии усиления, а следовательно, в конечном счете к увеличению порога генерации и к уменьшению яркости излучения лазерной мишени.

Ионизационная кривая Ez'(z) на фиг.8 не имеет точного аналитического описания, но может быть с достаточной точностью аппроксимирована гауссовским распределением (см. Лаврушин Б.М. Исследование полупроводниковых квантовых генераторов на основе GaAs. Труды ФИАН. Т.59, М. Наука, 1972, с.124-205):
E_z'(z) A_o · exp[ (z a)² · b^-2] (2) где A_o плотность ионизационных потерь в максимуме распределения при z a. Константы A_o,a и b имеют вид:
a 2,3 · 10^-2 · Е 5,4 · 10^-4 · Е², мкм; (3)
b 3,2 · 10^-2 · Е 7,6 · 10^-4 · Е², мкм; (4)
A_o 2(0,116 + 2,7 · 10^-3 · Е), кэВ/мкм, (5) где Е энергия электронов в электронном пучке выражена в кэВ.

Если толщина слоев полупроводниковой среды 9 с постоянным составом h₁ и остальных слоев h₂(z) много меньше параметров ионизационной кривой а и b, то, в соответствии с формулой изобретения, целесообразно толщины слоев выбирать из условия:
h₂(z) + h₁ const/E_z'(z), (6) тогда для приведенной выше аппроксимации
h₂(z) (h₂₀ + h₁) · exp[(z a)² · b^-2] h₁, (7) где константа h₂₀ h₂ (z a) выбирается одновременно с h₁ с учетом получения требуемого электронного ограничения, а также необходимого квантования в потенциальных ямах.

Для того, чтобы эта структура не имела структурных дефектов, ухудшающих излучательные свойства лазерной мишени, необходимо, чтобы период кристаллической решетки всех слоев был одинаков вдоль слоев. Это и есть условие когерентности границ. В структуре с разнотолщинными слоями это условие достигается, если состав слоев изменяется согласованно с их толщиной.

Пусть слои полупроводниковой структуры 9 на фиг.8, имеющие меньшую ширину запрещенной зоны и являющиеся таким образом потенциальными ямами, выполнены из первого бинарного соединения A₁B₁, а слои с переменным составом, являющиеся барьерами, выполнены из твердого раствора соединения A₁B₁ и второго бинарного соединения A₂B₂. Слои с постоянным составом имеют толщину h1, период кристаллической решетки вдоль слоя в свободном состоянии а₁ и коэффициент пропорциональности G₁ между приращением периода а₁ и упругим напряжением вдоль слоев Х_х, а слои с переменным составом имеют толщину h(z), соответствующий период а а₁+ +(а₂ а₁) · х и соответствующий коэффициент G(z) G₁ + (G₂ G₁) · х, где а₂ и G₂ относятся к соединению A₂B₂. Тогда условие когерентности границ выражается соотношением (Y.Kawakami, T.Taguchi and A.Hiraki. J. Crystal Growth, 1988, vol.93, p.714-719):
(G₁ · h₁ · a₁ + G · h · a)/(G₁ · h₁ +
+G · h) a' (8) или
a′ (9)
где a' период кристаллической решетки вдоль слоев у всей полупроводниковой структуры 9. Из этого соотношения легко получить связь между х и h(z):
x C · ([1 + D · (1 + h1/h(z))]^0,5 1 ), (10) где
С 0,5 · [G₁/(G₂ G₁) (a' a₁)/(a₂ a₁)] (11)
D 2/C/[(a₂ a₁)/(a' a₁) (G₂ G₁)/G₁] (12)
Принимая во внимание, что a' изменяется в диапазоне от а₁ до а₂, а (G₂ G₁)/G₁ от 0,1 до 0,25 для большинства соединений A^IIB^VI, получаем, что С может принимать значения от 0,2 до 4,5, а D от 0 до 1,5. Для других соединений диапазон значений С и D может быть значительно шире.

П р и м е р 1. Лазерная электронно-лучевая трубка содержит известного типа источник электронного пучка с ускоряющим напряжением 75 кэВ и средства его управления и новую лазерную мишень. Лазерная мишень имеет первое зеркало, выполненное из серебряного слоя толщиной 0,08 мкм, полупроводниковую среду, содержащую активную область, сравнимую с глубиной возбуждения электронным пучком, и пассивную область, второе зеркало, выполненное из шести чередующихся четвертьволновых слоев SiO₂ и ZrO₂, эпоксидный скрепляющий слой толщиной 10 мкм и сапфировую подложку толщиной 2 мм. Активная область имеет толщину 10 мкм и выполнена из сверхрешетки, образованной чередующимися напряженными слоями ZnS толщиной 2,0 нм барьерный слой и CdS толщиной 3,4 нм квантовая яма. Пассивная область выполнена толщиной 30 мкм из соединения Zn_0,43Cd_0,57S. Параметр решетки пассивной области вдоль слоев составляет а 5,653 и равен параметру решетки вдоль слоев указанной выше сверхрешетки.

Лазерная мишень может быть изготовлена следующим образом. На подложке из GaAs известным методом MOCVD когерентно нарощена сверхрешетка чередующихся напряженных слоев ZnS толщиной 2,0 нм и CdS толщиной 3,4 нм с общей толщиной 10 мкм. Затем на сверхрешетку нарощен пассивный слой из Zn_0,43Cd_0,57S толщиной 30 мкм. Поскольку параметры решетки GaAs, сверхрешетки и пассивного слоя равны вдоль слоев, то данная гетероструктура практически не имеет структурных дефектов типа дислокаций несоответствия. На пассивный слой методом вакуумного распыления нанесено интерференционное зеркало из шести чередующихся четвертьволновых слоев SiO₂ и ZrO₂. Далее структура этим интерференционным зеркалом приклеена эпоксидным клеем типа ОК-72Ф к сапфировому диску толщиной 2 мм. После приклейки подложка GaAs полностью стравливается в известном травителе на основе H₂O₂:NH₄OH. На освободившуюся поверхность сверхрешетки напыляется методом вакуумного распыления серебряное покрытие толщиной 0,08 мкм.

Эта лазерная мишень при возбуждении сканирующим электронным пучком с параметрами: энергия электронов 75 кэВ, диаметр электронного пятна 20 мкм, ток пучка 1 мА, скорость сканирования 10⁵ см/с показывает мощность излучения не менее 7,5 Вт с КПД не ниже 10% с длиной волны излучения 465 нм при температуре 100 К и 5 Вт с КПД не ниже 6% и λ= 495 нм при Т 300 К. При работе в телевизионном растровом режиме развертки изменение мощности излучения после 10 ч непрерывной работы не наблюдается. В отличие от известных решений, в данном примере лазерная электронно-лучевая трубка с гетероструктурной лазерной мишенью излучает в синей области спектра. Использование устройства лазерной мишени позволяет значительно увеличить мощность излучения и КПД лазерной ЭЛТ в этой области спектра (при Т 300 К не менее, чем в 2 раза) без снижения срока службы.

П р и м е р 2. Лазерная электронно-лучевая трубка по примеру 1 с тем отличием, что используется ускоряющее напряжение 50 кэВ и вся активная полупроводниковая среда выполнена в виде слоистой структуры с напряженными слоями с полной толщиной 10 мкм (примерно 1500 слоев). Каждый второй слой выполнен из ZnSe и имеет толщину h_ZnSe 1,5 нм. Первый слой полупроводниковой среды, отсчитываемый от зеркала лазерной мишени, размещенной со стороны падения электронного пучка, и все последующие промежуточные слои между слоями ZnSe выполнены из твердого раствора ZnS_xSe_1-x и имеют различные толщины h_2n+1 и значения параметра состава твердого раствора х вдоль направления оси оптического резонатора, значение которых определяется по таблице.

В таблице показана конструкция активной полупроводниковой среды из соединений ZnS_xSe_1-x, согласованная с ионизационной кривой.

При этом активная полупроводниковая среда удовлетворяет уравнению (7) с параметрами h₂₀ 4,7 нм, h₁ 1,5 нм, а 2500 нм и b 3500 нм и уравнению (10) с параметрами С 2,94 и D 0,656.

Период кристаллической решетки данной структуры выбран таким образом, что он согласуется с периодом решетки кристаллической подложки GaP с ориентацией (100) -a' 5,4495 . Таким образом, описанная выше структура может быть изготовлена методом, описанным в примере 1, но в качестве ростовой подложки необходимо выбрать подложку GaP (100).

Лазерная мишень по примеру 2 излучает при комнатной температуре на длине волны 450 нм с КПД не ниже 8% что не достигается другими известными решениями.

П р и м е р 3. Лазерная электронно-лучевая трубка по примеру 1 с тем отличием, что вместо сапфировой подложки в лазерной мишени используется подложка из монокристалла ZnSe_0,94S_0,06 с ориентацией (001), на которую непосредственно без скрепляющего слоя методом MOCVD нарощено полупрозрачное зеркало из 30 пар чередующихся четвертьволновых слоев с большим и меньшим показателями преломления, а из него активная полупроводниковая среда толщиной 10 мкм из сверхрешетки ZnS/CdS, описанной в примере 1. Слои с большим показателем преломления выполнены из того же материала ZnSe_0,94S_0,06, что и подложка, а слои с меньшим показателем преломления из той же сверхрешетки ZnS/CdS, что и активная полупроводниковая среда.

Лазерная электронно-лучевая трубка имеет примерно те же характеристики и те же преимущества над известными решениями, что и в примере 1. Но, поскольку лазерная мишень по данному примеру не содержит органический клеевой слой, то лазерная ЭЛТ с такой мишенью имеет дополнительные преимущества. Она может быть подвержена термовакуумной обработке и, следовательно, может быть отпаяна, что позволяет упростить ее конструкцию за счет исключения системы поддержания высокого вакуума, увеличить срок службы за счет исключения одного из факторов деградации ухудшения свойств скрепляющего клеевого слоя под воздействием электронного пучка и генерируемого им рентгеновского излучения, и увеличить среднюю мощность излучения за счет улучшения теплоотвода от активной полупроводниковой среды путем удаления тепловой пробки, образуемой клеевым скрепляющим слоем.

П р и м е р 4. Лазерная электронно-лучевая трубка по примеру 1 с тем отличием, что используется ускоряющее напряжение 25 кэВ, активная область активной полупроводниковой среды имеет толщину 1,3 мкм и состоит из 70 периодов сверхрешетки с чередующимися напряженными слоями GaAs толщиной 14 нм барьерные слои и In_0,2Ga_0,8As толщиной 4 нм квантовые ямы, пассивная область активной полупроводниковой среды выполнена из монокристалла GaAs и имеет толщину 80 мкм, первое зеркало выполнено из слоя SiO₂ толщиной 0,21, длиной волны λ= 950 нм, нанесенного на сверхрешетку, и слоя Cu толщиной 120 нм поверх слоя SiO₂, второе частично пропускающее зеркало выполнено из 13 чередующихся четвертьволновых слоев SiO₂ и ZrO₂.

Лазерная мишень изготавливается следующим образом. На подложке GaAs толщиной 400 мкм с ориентацией по плоскости (100) ± 30 по известной технологии газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений выращивается сверхрешетка GaAs/In_0,2Ga_0,8As. На нее известным методом вакуумного распыления наносится криолит. Затем поверхностью с криолитом структура приклеивается клеем ОК-72Ф к подложке из стекла С-54 толщиной 5 мм. Далее подложка GaAs сполировывается до толщины 80 мкм с использованием на заключительном этапе известной технологии химико-механической полировки. На полированную поверхность GaAs-подложки наносится зеркало из 13 слоев ZrO₂ и SiO₂ известным способом вакуумного напыления. Эта поверхность далее склеивается с сапфировой подложкой клеем ОК-72Ф. После склейки изделие помещается в воду для отделения стеклянной подложки по слою гигроскопичного криолита и удаления слоя криолита с поверхности сверхрешетки. И наконец, на сверхрешетку наносится металлодиэлектрическое глухое зеркало.

Лазерная ЭЛТ по данному примеру работает с комнатной температурой на лазерной мишени на длине волны 950 нм. При токе электронного пучка в 1 мА мощность излучения составляет 1,8 Вт при КПД 7% Такие характеристики излучения не достигаются известными способами.

Приведенные примеры ни в коей мере не ограничивают набор используемых материалов и конструкций, которые охватываются формулой изобретения.

Использование: в квантовой электронике, в частности в лазерной электронно-лучевой трубке, применяемой, например, в телепроекторах. Сущность изобретения: трубка содержит источник электронного пучка, средства для его удаления и гетероструктурную лазерную мишень, содержащую на опорной подложке резонатор, образованный двумя зеркалами и активной полупроводниковой средой. По меньшей мере, часть гетероструктуры содержит напряженные элементы, у которых различие в параметрах кристаллической решетки в свободном состоянии составляет более 0,1 процентов и которые в гетероструктуре имеют когерентные границы между собой. 12 з. п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. ЛАЗЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА, содержащая источник электронного пучка и средства для его управления, лазерную мишень, выполненную по меньшей мере частично в виде гетероструктуры и включающую в себя образующие оптический резонатор два зеркала, одно из которых частично пропускающее, активную полупроводниковую среду, помещенную между зеркалами, и опорную подложку для оптического резонатора, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть гетероструктуры содержит напряженные элементы, различие параметров кристаллической решетки которых в свободном состоянии составляет более 0,1% и которые в гетероструктуре имеют когерентные границы между собой. 2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что напряженные элементы являются напряженными слоями, ориентированными перпендикулярно к оси оптического резонатора. 3. Трубка по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере один напряженный слой имеет толщину одного монослоя. 4. Трубка по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что напряженными слоями по меньшей мере части лазерной мишени являются чередующиеся слои с постоянной толщиной, выполненные по меньшей мере из двух соединений и образующие одномерную сверхрешетку. 5. Трубка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть активной полупроводниковой среды выполнена из одномерной сверхрешетки с напряженными слоями. 6. Трубка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что активная полупроводниковая среда содержит по меньшей мере два элемента, выполненных из по меньшей мере двух полупроводниковых соединений типов A^I IB^V I или A^I I IB^V, различающихся шириной запрещенной зоны по меньшей мере на 7 мэВ. 7. Трубка по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть активной полупроводниковой среды выполнена из варизонного полупроводникового соединения. 8. Трубка по пп.2, 3, 5 и 6, отличающаяся тем, что каждый второй слой активной полупроводниковой среды имеет постоянную толщину и выполнен из полупроводникового соединения с постоянным составом, а остальные слои имеют переменную толщину и выполнены из твердого раствора полупроводниковых бинарных соединений одного типа, имеющего более широкую запрещенную зону, чем каждый второй слой, и состав которого изменяется согласованно с толщиной слоя на величину, необходимую для установления единого для всех слоев периода кристаллической решетки вдоль слоев. 9. Трубка по п.8, отличающаяся тем, что суммарная толщина соседних двух слоев изменяется вдоль направления оси оптического резонатора обратно пропорционально поглощенной этими двумя слоями доли энергии электронного пучка. 10. Трубка по пп.8 и 9, отличающаяся тем, что слои полупроводникового соединения с постоянным составом выполнены из первого бинарного соединения А₁В₁, а слои с переменным составом выполнены из твердого раствора соединения А₁В₁ и второго бинарного соединения А₂В₂, причем молярная доля х соединения А₂В₂ в твердом растворе (А₁В₁)_1 - х(А₂В₂)_х в каждом слое с переменным составом связана с толщиной этого слоя соотношением
x = C{[1+D(1+h₁/h₂)]^0,5-1},
где х - молярная доля соединений А₂В₂ в твердом растворе (А₁В₁)_1 - х(А₂В₂)_х;
h₁ - постоянная толщина слоев соединения А₁В₁, нм;
h₂ - переменная толщина слоев твердого раствора (А₁В₁)_1 - х(А₂В₂)_х, нм;
C и D - положительные числа, зависящие от выбора элементов А₁, А₂, В₁, В₂ и периода кристаллической решетки структуры с напряженными слоями вдоль слоев. 11. Трубка по пп.1 - 10, отличающаяся тем, что толщина активной полупроводниковой среды составляет 0,2 - 2 длины среднего спрямленного пробега электрона электронного пучка в активной полупроводниковой среде. 12. Трубка по пп.2 - 11, отличающаяся тем, что активная полупроводниковая среда и по меньшей мере одно из зеркал, находящееся между опорной подложкой и активной полупроводниковой средой, выполнены в виде единой гетероструктуры с напряженными слоями. 13. Трубка по пп.1 - 12, отличающаяся тем, что опорная подложка выполнена монокристаллической, а зеркало между подложкой и активной полупроводниковой средой и активная полупроводниковая среда последовательно когерентно нарощены на нее, причем период кристаллической решетки опорной подложки вдоль поверхности лазерной мишени совпадает с периодом кристаллической решетки активной полупроводниковой среды и зеркала, находящегося между подложкой и активной полупроводниковой средой.