Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

щенной зоной можно использовать инжекционные лазеры на осно­ ве твердых растворов GaAs-^ Р^.. Спектральная область их излу­ чения может простираться до 6400 А, причем импульсная мощ­ ность порядка 10° Вт/см2 является по-прежнему достижимой [16]. Используя в качестве источника иакач лазеры из GaAs^^P^,

Лазерное излучение и модовая структура возникают на длинноволновом крыле спектра спонтанного излучения. 1 — сапфир, 2 — вакуумная смазка, з — образец CdSe, і —

алюминиевое зеркало с 90%-наш отражением.

можно возбуждать другие твердые растворы G aA s^P,. [15], если концентрация фосфора х в источнике накачки больше, чем в мишени. С помощью этой техники генерация лазерного излу­ чения была получена также в твердых растворах CdSe^Sj. [15]. Использование инжекциоиных лазеров для накачки других полу­ проводниковых лазеров оказывается удобным для изучения кине­ тики рекомбинационных процессов, поскольку благодаря возмож-

г

Ф и г . 11.9. Эффективное устройство для оптического возбуждения люми­ несценции с помощью инжекционного лазера из GaAs [13].

1 — диод из GaAs, 2 — кварцевый цилиндр, з — образец из InSb.

Ф и г . 11.10. Метод накачки тонких пластинок с помощью инжекционного

лазера [15].

L мотет быть больше или меньше чем W, и образец может быть развернут на любой угол к плоскости перехода диода. Теплоотвод от пластинки осуществляется непосред­ ственно через грань резонатора диода, который в свою очередь размещен непосредственно на охлаждаемом жидким азотом хладопроводе. 1 — тонкая пластинка образца, 2 — область оптической накачки, з — пассивная часть оптического резонатора, 4 — пятно

лазерного излучения на отражающей поверхности оптического резонатора.

ности работы при высокой частоте повторения импульсов можно применять стробоскопическую технику.

Чрезвычайно интенсивную оптическую накачку можно полу­ чить с помощью рубинового лазера с модулированной добротно­ стью, интенсивность излучения которого достаточна для образо­ вания дефектов в полупроводнике [17]. В интересном экспери­ менте, представленном на фиг. 11.11, излучение рубинового

0,5 мм

Ф и г. 11.11. Возбуждение образца GaAs мощным потоком излучения, полу­ ченным за счет рамаиовского рассеяппя света рубинового лазера [17].

лазера мощностью 30 МВт проходило через жидкий азот, где ком­ бинационное рассеяние (эффект Ладсберга — Мандельштама — Рамаиа) добавляло побочные полосы к падающему излучению. Первая низкочастотная побочная полоса (первое стоксово смеще­ ние излучения) возникало на длине волны 8281 А. Это соответ­ ствует энергии фотонов 1,49 эВ, которые слабо поглощаются в GaAs с шириной запрещенной зоны 1,51 эВ при 77 К. Возбуящение было весьма интенсивным, поскольку 8% излучения рубинового лазера превращалось в излучение с энергией 1,49 эВ. Образец GaAs генерировал лазерное излучение с выходной мощностью 200 кВТ и квантовой эффективностью 47%. Глубина области воз­ буждения лазера из GaAs составляла около 0,5 мм, следовательно, площадь поперечного сечения активной области была много боль­ шей, чем в июкекцпонных лазерах, и выходной пучок был соот­ ветственно более узким (расходимость была равна 3°).

Возбуждение люминесценции в полупроводнике можно осуще­ ствлять также с помощью излучения с энергией фотонов, много меньшей ширины запрещенной зоны, если интенсивность падаю­ щего излучения очень велика. Нелинейные оптические свойства полупроводника позволяют двум когерентным фотонам действо­ вать как объединенному фотону с удвоенной энергией.

Процесс удвоения энергии фотона наблюдался при накачке GaAs излучением лазера на неодимовом стекле с длиной волны 1,06 мкм [17]. Это излучение очень глубоко проникало в GaAs, и благодаря процессу удвоения энергии оказалось возможным

272 Глава 11. Возбуждение люминесценции и лазерного излучения

возбуждение электронно-дырочных пар по всей толщине пла­ стинки, смонтированной на хладопроводе (фиг. 11.12). С помо­ щью излучения мощностью 60 МВт/см2 с длиной волны 1,06 м км

было получено когерентное излучение из GaAs с дли­ ной волны 8350 Â и мощ­ ностью 60 к В т /C M 2. Бла-

Ф и г. 11.12. Объемное возбу­ ждение лазерного излучения в GaAs путем двухфотонного по­ глощения [17].

годаря использованной геометрии лазер имел большую площадь излучающей поверхности ц излучение распространялось в виде узкого пучка (расходимость была равна 2°).

§ 3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Подобно оптическому возбуждению, бомбардировка электро­ нами позволяет изучать полупроводники, для которых технология изготовлеипя контактов и р — д-переходов не достигла уровня, достаточного для проведения электролюмпнесцегітных исследо­ ваний. Более того, возбуждающие электроны имеют много боль­ шую энергию, чем фотоны, и потому пригодны для возбуждения широкозонных полупроводников. Наиболее высокоэиергичные электроны, использование которых еще не приводит к образова­ нию радиационных дефектов, имеют кинетическую энергию около 200 кэВ. Е с л и не принимать во внимание радиационные дефекты,

то катодолюминесценцию можно изучать при еще больших энер­ гиях. Электронный пучок позволяет легко осуществлять отклоне­ ние, фокусировку, модуляцию или работу в импульсном режиме. Одним из недостатков возбуждения электронным пучком является то, что распределение плотности электронов в пучке гаус­ сово. Частично разрешить эту задачу можно с помощью диафраг­ мы, пропускающей электроны только вблизи максимума распре­ деления. Другим недостатком является большой уровень потерь, которые будут обсуждены ниже. По-видимому, наиболее слож­ ным устройством для возбуждения полупроводников электронным пучком является сканирующий электронный микроскоп [18]. Такая установка, схематически изображенная на фиг. 11.13, позволяет зондировать полупроводник пучком с диаметром около

200 А. Если осуществляется растровое или линейное сканирова­ ние электронного пучка (по всей поверхности образца или его

274 Глава 11. Возбуждение люминесценции и лазерного излучения

дение линий царапин и соответствие темных зон областям с высо­

кой скоростью травления).

Когда бомбардирующий электрон проникает в полупровод­ ник, он. осуществляет ионизацию большого числа электроннодырочных пар. В этом процессе падающий (первичный) электрон

100 м км

Ф и г. 11.14. Сравненію картпны катодолю.мшюсценцин (левая половина) с топограммой, полученной после избирательного травления образца GaAs (правая полоонпа).

Концентрация свободных электронов: 2 ,2 -КН8 см-з [21].

теряет свою кинетическую энергию и в конце концов останавли­ вается. «Тормозная способность» (или «длина пробега», или «глу­ бина проникновения») представляет для нас наибольший интерес. Этот параметр может быть определен как такое расстояние в по­ лупроводнике, на котором, интенсивность первичного электрон­

276 Глава 11. Возбуждение люминесценции, и лазерного из лучения

Поскольку в результате рекомбинации электроішо-дырочиой пары излучается фотон с энергией hv ж Е максимальная эффективность преобразо­ вания энергии, ожидаемая в случае катодолюминес­

ценции, есть

(11.4)

2,&Е„ + Е' '

В случае GaAs г| может быть около 30%. Энергия, которая не выходит в виде излучения, превращается в тепло. При получении нескольких сотен ватт ко­ герентного излучения из

Ф II г. 11.16. Энергия ионизи­ рующего излучения, или средпяя величина анергии падаю­ щей радиации Еа, расходуемой

на образование одной элек- трошго-дырочнон пары, в зави­ симости от ширины запрещен­ ной зоны Eg [23].

j — а-частнцы, 2 — быстрые элек­ троны, з — Ѵ"ЛУЧП*

GaAs [24] и CdS ! [19] выгорания образцов удалось избежать бла­ годаря использованию очень коротких импульсов возбуждения.

Задача 1. Найдите, при каких условиях для геиерацип путем ударной иони­ зации электронио-дырочиых пар в ^полупроводнике с шириной запрещенной зо1ш_7?^\ кпнетическая энергия носителей должна быть равна 3/ 2 Eg.

вp — re-переходе).

8.Heeks J. S., IEEE Trans., ED-13, 68 (1966).