АКТИВНАЯ ЗОНА ГЕНЕРАТОРА НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЕ Российский патент 2011 года по МПК H01S5/343 

Изобретение относится к полупроводниковым источникам когерентного излучения (лазерам) на основе переходов электронов между уровнями в полупроводниковых сверхрешетчатых структурах (сверхрешетках) с простым составом периода при использовании электрического поля, создаваемого приложенным к сверхрешетке напряжением. Изобретение может быть использовано для создания лазеров диапазона длин волн от субмиллиметрового до среднего ИК на полупроводниковых сверхрешетках с легко перестраиваемой в широких пределах длиной волны излучения с помощью приложенного напряжения.

Указанный диапазон (от терагерц до среднего ИК) интересен тем, что, во-первых, в этом диапазоне лежат «окна» прозрачности атмосферы (в районе 3, 4, 5, 10 и 20 мкм), так что создание лазеров для этих «окон» позволило бы решить массу проблем, относящихся к мониторингу и защите окружающей среды, предотвращению катастроф (например, на нефте- и газопроводах); во-вторых, в терагерцевом диапазоне лежат вращательные уровни почти всех молекул, что позволяет использовать излучение этого диапазона при создании сверхчистых веществ, необходимых современной промышленности, медицине и др. Кроме того, для терагерцевого излучения оказываются «прозрачными» многие виды материалов, в том числе деревянные и бетонные стены, упаковочные материалы, что позволяет создавать системы обнаружения различного назначения.

Принцип работы высокочастотного генератора на полупроводниковой структуре, представляющей собой сверхрешетку с простым составом периода (одна потенциальная квантовая яма и один потенциальный барьер на периоде), был предложен еще в 1971 году (см. патент US №3626328 МПК H01S 5/00, 5/30, 5/34, H01L 29/02, опубл. 1971 г.). Однако это изобретение не было реализовано, поскольку генерация излучения в данной конструкции не была получена.

Через 15 лет идея генератора на полупроводниковых сверхрешетках получила дополнительное развитие: были предложены и осуществлены квантовые каскадные лазеры на электронных переходах в полупроводниковых сверхрешетках со сложным составом периода гетероструктуры из многих потенциальных квантовых ям и барьеров, дающие излучение в ИК диапазоне (см., например, патент US №5457709 МПК⁶ H01S 5/00, 5/34, опубл. 1995 г.) и терагерцевом диапазоне (см., например, патент US №7548566 МПК⁸ H01S 3/30, опубл. 2009 г.).

На основе каскадных лазеров создаются системы для анализа сверхчистых веществ, нацеленных на анализ определенной примеси. Они становятся основой мониторинга атмосферы на появление определенных примесей. Продемонстрированы системы связи на основе каскадных лазеров, системы тепловидения с повышенным контрастом, использование таких лазеров для «ослепления» стандартных систем ночного видения. В настоящее время практически все эти лазеры могут создаваться на основе промышленной технологии с использованием металлоорганики (MOCVD). В среднем ИК диапазоне (с длиной волны 3-12 микрон) каскадные лазеры работают в непрерывном режиме при комнатной температуре, достигая мощности в несколько ватт, в терагерцевом диапазоне (с длиной волны 60-200 микрон) - при температуре жидкого азота, с мощностью в десяток милливатт.

Недостатком каскадных лазеров является слабая перестройка их частоты при изменении напряжения на лазере или температуры. Это объясняется тем, что в результате использования инжекции в пределах одного периода (каскада) и лазерного перехода в пределах одного периода (каскада) частота излучения оказывается практически фиксированной при изменении приложенного к структуре напряжения. А более сложные схемы каскадных лазеров с широкой полосой усиления за счет применения множества разных каскадов и использования внешнего перестраиваемого селективного элемента, например дифракционной решетки, существенно усложняют и удорожают системы.

Поскольку в заявляемом изобретении предлагается использовать сверхрешетку с простым периодом (одна потенциальная квантовая яма и один потенциальный барьер на периоде) для получения перестраиваемого напряжением излучения, то наиболее близкой по технической сущности является конструкция генератора на полупроводниковой структуре по упомянутому выше патенту US №3626328, которая выбрана в качестве прототипа. Активная зона генератора прототипа представляет собой сверхрешетку, выполненную в виде гетероструктуры, например, из соединений типа A_IIIB_V, обеспечивающую периодическую вариацию энергии дна зоны проводимости структуры.

Изобретение-прототип не было реализовано (не была достигнута генерация излучения), в частности, из-за использования сильного (широкого, т.е соизмеримого с шириной потенциальной квантовой ямы) барьера и переходов в пределах одной минизоны. Как следствие, в предложенной схеме отсутствовала инверсия населенности используемого рабочего перехода и возникали области неоднородного электрического поля (домены).

Задачей, реализуемой настоящим изобретением, является разработка активной зоны генератора на сверхрешетке с простым периодом с перестройкой по частоте в широком диапазоне за счет изменения приложенного напряжения.

Заявляемый технический результат в разработанном лазере достигается за счет того, что активная зона, как и в генераторе-прототипе, представляющая собой сверхрешетку, изготовлена в виде гетероструктуры из соединений типа A_IIIB_V и обеспечивает периодическую вариацию энергии дна зоны проводимости структуры.

Новым в разработанном лазере является то, что используется сверхрешетка с периодом d, состоящим из одной потенциальной квантовой ямы и узкого потенциального барьера, ширина которого в 3-20 раз меньше ширины потенциальной квантовой ямы, при этом рабочим переходом в активной зоне при приложенном напряжении является переход между основным уровнем Ванье-Штарка в одной потенциальной квантовой яме и первым возбужденным уровнем Ванье-Штарка в яме, отстоящей от нее на два или более периодов сверхрешетки d.

Отличие предлагаемой авторами структуры активной зоны лазера от указанных прототипа и аналогов состоит, во-первых, в использовании сверхрешетки со слабыми барьерами и переходов не внутри одной минизоны, а между уровнями Ванье-Штарка первой и второй минизон, что позволяет использовать переход с инверсией населенности; во-вторых, в использовании переходов между периодами сверхрешетки (а не внутри одного периода, как в каскадных схемах), что позволяет легко изменять частоту перехода приложенным напряжением. Предлагаемая авторами изобретения активная зона генератора обеспечивает более высокую эффективность - больший коэффициент усиления на единицу толщины сверхрешетки, простоту конструкции (и, следовательно, изготовления) сверхрешетки и широкую полосу перестройки частоты излучения просто приложенным напряжением, без использования внешних селективных элементов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема полупроводникового генератора с предлагаемой активной зоной.

На фиг.2 представлена схема структуры активной зоны, состоящей из потенциальных квантовых ям 4 и узких потенциальных барьеров 5.

На фиг.3 представлены вольт-амперные характеристики двух сверхрешеток с номерами СР426 и СР816.

На фиг.4 представлены схема переходов в сверхрешетке СР816 и рассчитанные спектры усиления в активной зоне 1 на сверхрешетке СР816 при разном приложенном напряжении.

Активная сверхрешеточная зона 1 генератора на полупроводниковой структуре, представленная на фиг.1 и 2, изготовлена в виде гетероструктуры из соединений типа A_IIIB_V с периодом d, состоящим из одной потенциальной квантовой ямы 4 и узкого потенциального барьера 5, ширина b которого в 3÷20 раз меньше ширины w потенциальной квантовой ямы 4.

В такой активной зоне 1 рабочим переходом является переход между основным уровнем (а) Ванье-Штарка в одной потенциальной квантовой яме 4 с номером n и первым возбужденным уровнем (б) Ванье-Штарка в другой потенциальной квантовой яме 4 с номером n+3, отстоящей от первой, как минимум, на два периода сверхрешетки (см. фиг.2). Так как в каждой потенциальной квантовой яме 4 электроны имеют квазибольцмановское распределение по энергиям, то при приложении напряжения в такой структуре за счет узости потенциальных барьеров 5 становится возможным туннелирование электронов с основного уровня (а) с большей населенностью в одной потенциальной квантовой яме 4 с номером n на менее населенный первый возбужденный уровень (б) в другой потенциальной квантовой яме 4 с номером n+3, что обеспечивает инверсию населенности в предлагаемой активной сверхрешеточной зоне 1. Авторами изготовлено и опробовано несколько сверхрешеточных структур со слабыми барьерами на основе промышленной технологии с использованием металлоорганики (MOCVD) на основе соединений GaAs-(яма) - GaAlAs (барьер), с долей алюминия 15%. Параметры сверхрешеток указаны в Таблице. Также представлены данные экспериментов с изготовленными сверхрешетками, приведенные на фиг.3 и 4, подтверждающие наличие упомянутого выше туннелирования электронов в таких структурах. На фиг.3 приведены вольт-амперные характеристики двух сверхрешеток с номерами СР 426 и СР 816. Характеристики показывают отсутствие падающего участка (и следовательно, отсутствие разбиения на домены неоднородного поля) в области полей, где возможно лазерное излучение - изломы на кривых, соответствующие резонансным значениям электрического поля. Предполагаемые области усиления (А, В, С) терагерцевого излучения расположены вблизи «плеч» на вольт-амперных характеристиках сверхрешеток.

Как показано на фиг.4, для решетки СР 816, коэффициент усиления α на таком рабочем переходе оказывается большим, что указывает на перспективность заявляемой активной зоны 1 для создания полупроводниковых лазеров на сверхрешетках с простым периодом.

Таблица: Параметры исследованных сверхрешетчатых структур: СР - номер сверхрешетки; d - величина периода, w - ширина потенциальной квантовой ямы, b - ширина потенциального барьера (все в ангстремах); N_d - число периодов. СР 426 502 698 816 d=w+b,Å 185+10 163+10 155+20 150+30 N_d 100 150 500 1000

Пояснения к фигурам

Фиг.1

Схема генератора с предлагаемой активной зоной. Показаны активная зона со сверхрешеточной структурой (1), приложенное к активной зоне напряжение (V), волноводные структуры (2), направляющие излучение генератора, и контакты (3).

Фиг.2

Схема структуры активной зоны 1, состоящей из потенциальных квантовых ям 4 и узких барьеров 5. Показаны основной (а) и первый возбужденный (б) уровни переходов электронов между уровнями Ванье-Штарка в генераторе с предлагаемой активной зоной со сверхрешеткой при приложенном напряжении; показаны переходы с поглощением (ħω₁, ħω₂) и усилением (ħω₃).

Активная зона представляет собой сверхрешетку, выполненную в виде гетероструктуры из соединений типа А_IIIВ_V и обеспечивающую периодическую вариацию энергии дна зоны проводимости структуры. Сверхрешетка имеет период d, состоящий из одной потенциальной квантовой ямы и узкого потенциального барьера, ширина которого в 3-20 раз меньше ширины потенциальной квантовой ямы. Рабочим переходом в активной зоне при приложенном напряжении является переход между основным уровнем Ванье-Штарка в одной потенциальной квантовой яме и первым возбужденным уровнем Ванье-Штарка в яме, отстоящей от нее на два или более периодов сверхрешетки d. Технический результат заключается в обеспечении возможности перестройки по частоте в широком диапазоне за счет изменения приложенного напряжения. 4 ил., 1 табл.

Активная зона генератора на полупроводниковой структуре, представляющая собой сверхрешетку, выполненную в виде гетероструктуры из соединений типа А_IIIВ_V и обеспечивающую периодическую вариацию энергии дна зоны проводимости структуры, отличающаяся тем, что используется сверхрешетка с периодом d, состоящим из одной потенциальной квантовой ямы и узкого потенциального барьера, ширина которого в 3-20 раз меньше ширины потенциальной квантовой ямы, при этом рабочим переходом в активной зоне при приложенном напряжении является переход между основным уровнем Ванье-Штарка в одной потенциальной квантовой яме и первым возбужденным уровнем Ванье-Штарка в яме, отстоящей от нее на два или более периодов сверхрешетки d.