ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ Российский патент 2002 года по МПК H01S5/00 H01J31/08 

Изобретение относится к устройствам квантовой электроники, в частности к полупроводниковым лазерам с накачкой электронным пучком (ПЛЭН), и может найти широкое рименение в информационных устройствах передачи и отображения изображений (телевидение, печать и т.п.).

Известные ПЛЭН содержат источник электронов, систему формирования и управления электронным пучком (ЭП) и полупроводниковую лазерную мишень (ЛМ). ЛМ обычно выполняется в виде прозрачной подложки, на которую приклеена тонкая полупроводниковая пленка (ПП) с нанесенными на ее плоскости отражающими покрытиями, образующими оптический резонатор. Под действием ЭП в пленке возникает процесс усиления и генерации лазерного излучения с длиной волны, примерно соответствующей ширине запрещенной зоны полупроводника. Обычно полупроводниковую пленку изготавливают из бинарных соединений или твердых растворов А₂В₆, например ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, ZnCdS, ZnCdSe, или А₃B₅: GaAs, GaN, A1N, InN, GaAlAs, GaAlN и т.п. Различают два типа ПЛЭН-импульсные и сканирующие. В первом случае для накачки ЛМ обычно используют импульсные ЭП с энергией до нескольких сотен кэВ, мощностью до единиц мегаватт и длительностью в единицы - десятки наносекунд. Для исключения "паразитного" сброса инверсии ПП импульсных лазеров обычно разбивают на ячейки с характерным размером 100-200 мкм. Импульсные ПЛЭН могут быть использованы в зондирующих и локационных устройствах. В случае сканирующих ПЛЭН- управляемый по интенсивности и положению ЭП перемещается по поверхности ПП, возбуждая в точке падения электронного пучка лазерное излучение. Энергия электронов, сканирующих ПЛЭН, обычно выбирается в пределах 50-70 кэВ. Сканирующие ПЛЭН являются лазерными аналогами электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и обычно называются лазерными ЭЛТ или квантоскопами и могут найти широкое применение в различных информационных устройствах. К основным недостаткам, препятствующим освоению промышленного производства ПЛЭН, относятся:
- низкая эффективность работы ЛМ при комнатной температуре;
- нетехнологичность изготовления ЛМ;
- сравнительно небольшой ресурс работы ЛМ;
- необходимость защиты от рентгеновского излучения при ускоряющих напряжениях (50-70кВ);
- усиление ("паразитное") поперек резонатора, препятствующее увеличению поперечного размера ЭП (≥ 200мкм).

Основными причинами перечисленных недостатков являются:
- рост порога генерации с температурой ЛМ;
- большое число операций по изготовлению ЛМ;
- растрескивание тонких ПП пленок и разрушение клеевого слоя под действием излучения и проникающих электронов;
- сильная безызлучательная рекомбинация в приповерхностном слое ПП при низких напряжениях и наличии нарушенного слоя.

Для устранения перечисленных недостатков предложены различные устройства ПЛЭН:
1. Изготовление ЛМ в виде квантоворазмерной структуры, обеспечивающей компрессию электронно-дырочных пар путем чередования большого числа (более 100) полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенной зоны, что должно привести к повышению эффективности работы ЛМ при комнатной температуре. Различные варианты таких ЛМ рассмотрены в российских патентах (Авт. св. 1019963 от 23.09.81г., российский патент 2056665 от 28.12.92 г.). Однако по настоящее время в этом направлении не достигнуты желаемые результаты, что можно объяснить значительными технологическими трудностями выращивания согласованной многослойной квантоворазмерной структуры на прозрачной подложке. Вторым существенным недостатком такой структуры является небольшая толщина пленки (несколько микрон) и возможность усиления вдоль слоев, что приводит к ограничению диаметра электронного пучка и препятствует применению таких структур в мощных лазерах.

2. Другой вариант улучшения характеристик ЛМ был исследован в работе А. В. Дуденковой и др. (Лазерные экраны из монокристаллических пленок ZnSe и ZnTe, выращенных на сапфире. Квантовая электроника, т.8, с. 1380, 6, 1981). На ориентированной сапфировой подложке методом осаждения из паровой фазы выращивалась поликристаллическая пленка селенида цинка. На пленку со стороны падения ЭП наносилось "глухое" зеркало, а на противоположную сторону сапфира полупрозрачное. Такое выполнение ЛМ улучшает теплоотвод от ПП и исключает целый ряд операций по изготовлению ЛМ (выращивание монокристалла, нарезание пластин, шлифовка, полировка, приклеивание). Недостатком такого устройства ЛМ является плохое согласование параметров решеток ПП и подложки, в результате чего вырастает поликристаллическая ПП с высокой плотностью дефектов, которые приводят к большим оптическим потерям. По этой причине генерацию удалось получить только при низкой температуре.

3. Наиболее близким к предлагаемому устройству является ПЛЭН, выполненный в виде электронно-лучевой трубки, описанной в американском патенте 3575627 (1971), в котором предложен композиционный лазерный экран, набранный из тонких (десятки микрон) игольчатого типа кристаллов сульфида кадмия, выращенных газофазным методом. Такие кристаллы отличаются чистотой и совершенством поверхности. Игольчатые кристаллы уложены на экране ЭЛТ и закреплены нанесенной на них тонкой прозрачной пленкой, поверх которой нанесено алюминиевое покрытие, отражающее свет и отводящее заряды. Электронный пучок, проникая в игольчатые кристаллы, возбуждает генерацию лазерного излучения. На таком экране была получена генерация при комнатной температуре и при низких значениях ускоряющего напряжения 25-30 кВ, что объясняется высоким качеством поверхности кристаллов и высокой добротностью кольцевых мод. Существенными недостатками являются: неоднородное свечение, плохой теплоотвод от кристаллов и значительные трудности изготовления таких ЭЛТ. Перечисленные недостатки исключили возможность практического применения.

Целью предлагаемого изобретения является сохранение положительных качеств вышеупомянутых ПЛЭН и устранение их основных недостатков, создающих трудности практического применения. Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в создании такого устройства ПЛЭН, которое обеспечивает высокую добротность оптического резонатора (низкий порог генерации) в сочетании с эффективным теплоотводом от активной области резонатора и устранением "паразитных" потерь, ограничивающих увеличение сечения ЭП на ЛМ. Устройство должно также обеспечить возможность применения в качестве источника электронов современных автоэмиссионных катодов, что увеличит ресурс и КПД устройства в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в ПЛЭН, содержащем ЛМ, источник электронов, средства формирования и управления электронным пучком, ЛМ выполнена в виде прозрачной для генерируемого излучения подложки, на которой выращены в определенной последовательности заданных размеров микрокристаллы из соединений А₂В₆ или А₃В₅, образующие массив полупроводниковых микрорезонаторов (фиг 1, 1 - электронный пучок (е), 2 - микрокристаллы - резонаторы (МР) 3 - прозрачная подложка). Отсутствие клеевой прослойки обеспечивает хороший теплоотвод и увеличение ресурса работы. Естественные грани кристаллов исключают потери на безызлучательную рекомбинацию в поврежденном обработкой поверхностном слое, что наблюдается в пленочных ЛМ. Микроскопические размеры резонаторов обеспечивают их высокую добротность, уменьшение "паразитных" потерь и соответственно снижение порога генерации и увеличение эффективности работы.

Подложка (фиг.2) выполнена в виде пластины 6, изготовленной из диэлектрического или полупроводникового материала, прозрачного для генерируемого излучения, на одной из плоскостей которой выращены или нанесены тонкие слои из полупроводниковых соединений, образующих в последовательном порядке: буферный подслой 5, Брегговское зеркало 4 и маску с микроотверстиями 3 для роста полупроводниковых микрокристаллов - резонаторов 1. Для увеличения добротности МР 1 и отвода зарядов на поверхность ЛМ со стороны МР нанесено металлическое отражающее покрытие 2.

Размеры отдельных МР (А - ширина, h - высота) не должны значительно превышать глубину проникновения ЭП, т.е. при ускоряющих напряжениях 25-30 кВ должны находится в пределах 5-15 мкм. Расстояние L между центрами МР (период) задается режимом работы (импульсный, сканирующий), требованием к разрешению и т.п. Например, в случае модуляции амплитуды сканирующего пучка синусоидой с частотой F, с целью повышения эффективности работы ПЛЭН, расстояние между центрами микрокристаллов по основанию L могут быть выбраны из отношения L=V/2F, где V - скорость движения ЭП. При F=10⁸ Гц, V=10⁶ см/с, L= 5•10^-3 см, A=L/2=2,5•10^-3 см. С целью уменьшения габаритов ПЛЭН и исключения потерь, связанных с нагревом термокатода и попадания ЭП на промежутки между МР, источник электронов выполнен в виде массива автоэмиссионных микрокатодов с управляющей сеткой, расположенных соосно с МР. Вариант ПЛЭН с автоэмиссионными катодами дан на фиг.3, где 1 - прозрачная подложка, 2 - буферный подслой, 3 - многослойное Брегговское зеркало, 4 - маска с отверстиями для роста МР, 5 - микрокристаллы-резонаторы, 6 - металлическое покрытие, 7 - заземленное металлическое основание (пленка), 8 - диэлектрическая подложка, 9 - металлическая пленка, 10 - автоэмиссионные острия (катоды), 11 - диэлектрические промежутки между катодами, 12 - управляющая металлическая сетка с отверстиями, 13 - вакуумный промежуток, е - ускоренные электроны. Напряжение приложено к металлическому покрытию 6. Управляющее напряжение - к сетке 12. Основание 7 заземлено.

Прибор работает следующим образом. К металлическому покрытию 6 приложено постоянное положительное напряжение в несколько десятков киловольт. К сетке 12 приложено запирающее отрицательное напряжение, которое обычно не превышает 100 В. При подаче положительного сигнала на сетку 12 с заостренных концов автоэмиссионных катодов под действием электрического поля с высокой напряженностью (до 10^6-8 В/см²) эмитируется поток электронов, плотность которого может достигать 1000 А/см². Ускоренный напряжением в промежутке сетка 12 - металлическое покрытие 6 электронный поток проникает в полупроводниковые микрорезонаторы, возбуждая генерацию лазерного излучения, которое выходит через прозрачную подложку 1.

Как уже отмечалось выше, одним из недостатков известных ПЛЭН является ограничение размеров и формы электронного пучка "паразитным"' усилением излучения в направлениях, не совпадающих с направлением генерации. Применение микрорезонаторных лазерных мишеней снимает эти ограничения и более того позволяет повысить эффективность работы лазера в сканирующем режиме. Рассмотрим подробнее эти утверждения. При работе ПЛЭН с диаметром ЭП, превышающим 200 мкм, для исключения "паразитного" усиления ЛМ разбивают на отдельные ячейки, например, путем травления или скрайбирования, что создает дополнительные технологические трудности. В случае МР вся мишень состоит из отдельных микрорезонаторов, или другими словами микролазеров, поэтому возбуждать генерацию можно одновременно или последовательно по всей площади лазерной мишени. В сканирующем режиме эта возможность может значительно повысить эффективность работы прибора. Действительно, выходная мощность сканирующего лазера сильно зависит от температуры активной области. В свою очередь максимальная температура Т_max активной области прямо пропорциональна времени коммутации элемента τ:
T_max= I_oτ/X_oρc = I_oD/V_oX_oρc (1),
где I_о - интенсивность ЭП, D - диаметр, V_о - скорость сканирования, Х_о - эффективная глубина проникновения ЭП, ρ, с - плотность и теплопроводность полупроводника. При заданной величине скорости сканирования увеличение мощности можно достичь, увеличивая площадь электронного пятна на ЛМ. Однако увеличение мощности ограничено не только размерами пятна, но и увеличением Т_max, что может привести к перегреву активной области и к срыву генерации. В случае микрорезонаторной ЛМ можно увеличивать площадь сканируемого электронного пятна 1 в направлении, ортогональном к направлению сканирования (см. фиг.1), т.е. использовать пучок овальной или прямоугольной формы. Ширина пучка D (фиг.1) выбирается в соответствии с формулой (1).

Изготовление ПЛЭН с лазерной мишенью из микрокристаллических резонаторов и массивом автоэмиссионных катодов в соответствии с предлагаемым изобретением соответствует возможностям современной технологии, применяемой при изготовлении оптоэлектронных приборов. Для выращивания микрокристаллов возможно использование технологий выращивания пирамидальных микрокристаллов (Yvonne Carts-Powell. "GaN pyramids prove promising for microcavities", Laser Focus World, Nov/(1999), А.А. Чернов и др. "Современная кристаллография, " Из-во "Наука", стр. 39-40, (1974)). Наиболее прогрессивной можно считать низкотемпературную технологию роста из металлоорганических соединений (метод MOCVD) на подложке через маску с микроотверстиями, расположенными в заданной последовательности и выполненными методом фотолитографии. В зависимости от структуры кристаллической решетки, типа соединений, условий выращивания и т. п. могут быть выращены микрокристаллы в виде многогранников различной формы (пирамидальной, усеченной пирамиды, призматической). Для изготовления массива автоэмиссионных катодов может быть применена технология изготовления молибденовых катодов (S.A. Spindt, "A thin-film field-emission cathode", J. Appl. Phys. 39, No.7, 3504-3505, (1968), М.И. Елинсон и др. "Ненакаливаемые катоды", Из-во "Сов. радио", стр. 271-279, Москва, (1980)). ПЛЭН, изображенный на фиг. 3, изготовлен следующим образом. На прозрачной ориентированной подложке из сапфира методом MOCVD выращен согласующий буферный слой из AlN и затем Брегговское зеркало из чередующихся слоев Al_xG_1-xN/Al_x2G_1-x2N, слабо поглощающих генерируемое излучение. Количество слоев выбирается в зависимости от требуемого коэффициента отражения. На последний слой нанесена маска из диэлектрической пленки SiO₂, на которой методом фотолитографии сделаны отверстия диаметром в несколько микрон. Через отверстия методом MOCVD выращены микрокристаллы из GaN в виде усеченной пирамиды, которые излучают в ультрафиолетовой области спектра (~350нм). Расстояние между кристаллами и размеры кристаллов не превышают 15-20 мкм. Затем на поверхность со стороны микрокристаллов нанесено металлическое покрытие из Аl. Автоэмиссионный катод выполнен следующим образом. На кварцевую подложку 8 с двух сторон нанесены металлические покрытия 7, 9. Затем методами фотолитографии с противоположной стороны на молибденовом слое 9 с диэлектрическим покрытием 11 изготовлены микроотверстия с микрокатодами из молибдена 10. На поверхность диэлектрического слоя нанесен второй молибденовый слой 12 с отверстиями, который является управляющей сеткой. Изготовленные - микрорезонаторная лазерная мишень и автоэмиссионный катод закреплены в вакуумном объеме с соответствующими выводами для электродов.

Изобретение относится к устройствам квантовой электроники, в частности к полупроводниковым лазерам с накачкой электронным пучком (ПЛЭН), и может найти широкое применение в информационных устройствах передачи и отображения информации (телевидение, печать и т.д.). Лазерная мишень выполнена в виде прозрачной для генерируемого излучения подложки, на которой выращены в определенной последовательности микрокристаллы из соединений А₂В₆ или А₃В₅. Они образуют массив полупроводниковых микрорезонаторов, возбуждаемых электронным пучком. Используются Брегговские зеркала и металлическое покрытие со стороны падения электронного пучка. Катод выполнен в виде массива автоэмиссионных острий с управляющей сеткой. Технический результат изобретения - устранение основных недостатков ПЛЭН: высоких порогов при Т=300К, ограничения диаметра активной области, быстрой деградации. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком (ПЛЭН), содержащий источник электронов, средства для формирования и управления электронным пучком (ЭП) и полупроводниковую лазерную мишень (ЛМ), отличающийся тем, что ЛМ состоит из полупроводниковых микрорезонаторов, выращенных в заданном порядке на прозрачной для генерируемого излучения подложке. 2. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком по п.1, отличающийся тем, что микрорезонаторы представляют собой полупроводниковые микрокристаллы, выращенные из соединений А₂В₆ или А₃B₅, характерные размеры которых (ширина по основанию А и высота h) не превышают 10-15 мкм. 3. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком по п.1, отличающийся тем, что прозрачная подложка представляет собой диэлектрическую или полупроводниковую пластину с последовательно выращенными или нанесенными тонкими слоями, образующими в последовательном порядке - буферный подслой, Брегговское зеркало и маску с микроотверстиями для роста полупроводниковых микрокристаллов-резонаторов. 4. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком по п.1, отличающийся тем, что на подложку с микрорезонаторами со стороны падения ЭП нанесено металлическое отражающее покрытие. 5. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком по п.1, отличающийся тем, что источник электронов выполнен в виде массива автоэмиссионных микрокатодов с управляющей сеткой, расположенных соосно с микрокристаллами-резонаторами к металлическому отражающему покрытию которых приложено ускоряющее напряжение. 6. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком по п.1, отличающийся тем, что сканирующий ЭП вытянут поперек направления сканирования и ширина его D выбирается из условия
D = T_мак•V₀•X₀•ρ•c/I₀,
где Т_мак. - максимальная температура активной области;
V_о - скорость движения ЭП;
Х_о - эффективная глубина проникновения ЭП;
ρ, с - плотность и теплоемкость полупроводника;
I_о - интенсивность ЭП. 7. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком по п.1, отличающийся тем, что расстояние между центрами микрорезонаторов L и ширина основания D выбираются из условия
L=V_o/2F,
D=L/2,
где F - частота модуляции ЭП (F=10⁷-10⁸ Гц).