Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Rys. 2. Zakresy długości fal w obszarze bliskiej, średniej i dalszejpodczerwieni, generowanych przez lasery różnych typów z zaznaczeniemobszarów w których brak jest laserów pracujących na faliciągłej (CW)Fig. 2. Wavelength ranges in infrared region, generated by differenttypes of cascade lasers. Indicated are regions for which no CWemission was observedstanowią nową klasę unipolarnych laserów półprzewodnikowychktórych działanie bazuje na przejściach wewnątrzpasmowych(rys. 1). W odróżnieniu od klasycznych laserówpółprzewodnikowych, wykorzystujących przejścia międzypasmowe,długość fali emitowanego przez nie promieniowaniapraktycznie nie zależy od materiału z którego sąwykonane, a jedynie od geometrii jam kwantowych stanowiącychich obszar czynny. Pozwala to na pokrycie szerokiegospektrum, długości fal od bliskiej poprzez średnią dodalekiej podczerwieni za pomocą struktur wytwarzanych nabazie GaAs i InP, materiałów których technologia jest doskonaleopanowana. Kaskadowa natura generacji promieniowaniapozwala na powielanie fotonów i potencjalnieumożliwia uzyskiwanie mocy przekraczających te, które generowanesą w laserach bipolarnych. Obecność tylko jednegorodzaju nośników (elektronów) eliminuje większośćniekorzystnych procesów rekombinacji niepromienistej. Listęzalet laserów kaskadowych zamyka ich subpikosekundowaszybkość działania, wynikająca z ultraszybkiej dynamikiprzejść wewnątrzpasmowych. Lasery kaskadowe są idealnymźródłem promieniowania w układach detekcji zanieczyszczeńgazowych, spektroskopii molekularnej i systemachtelekomunikacji w swobodnej przestrzeni. Można równieżmyśleć o ich zastosowaniach w medycynie do wykrywaniaskażeń i substancji biologicznych.Lasery kaskadowe wykorzystują kwantowe efekty rozmiarowewystępujące w heterostrukturach półprzewodnikowych.Heterostruktury te, składające się nawet z kilkusetwarstw pozwalają na emisję promieniowania, którego energianie zależy bezpośrednio od materiału z którego zostały wykonane,ale od układu i grubości warstw. Wytworzenie heterostrukturepitaksjalnych ze związków InGaAs/AlGaAs napodłożu z InP i GaAs/AlGaAs na podłożu z GaAs pozwala nastymulowaną emisję promieniowania w zakresie od 3,4 µm,aż do ultra dalekiej podczerwieni - zakresu emisji teraherzowej~100 µm (rys. 2).Celem badań podjętych w projekcie jest opracowanietechnologii wytwarzania kwantowych laserów kaskadowychdziałających w zakresie średniej podczerwieni 5...12 µm. Obszarśredniej podczerwieni jest niezwykle ważny w spektroskopiimolekularnej. Wynika to z faktu, iż w obszarze tymwystępują linie absorpcyjne większości molekuł (CO, NO,NH 3 ...), których detekcja jest bardzo ważna w medycynie,przemyśle chemicznym, maszynowym, w ochronie środowiska,zastosowaniach wojskowych i innych. Użycie fali świetlnejw zakresie 5...12 µm pozwala na detekcję z czułościąppbv (parts per billion in volume, tzn. 1/10 9 ). Efektem realizowanychprac będą lasery kaskadowe gotowe do użyciaw spektroskopowych układach detekcji gazów. Lasery zostanązmontowane w hermetycznej obudowie z dwustopniowąchłodziarką Peltiera, umożliwiającą pracę urządzeniabez chłodzenia kriogenicznego i będą wyposażone w dedykowanyzasilacz, umożliwiający pracę w reżimie impulsowym.W pracach nad laserami kaskadowymi wykorzystywanabędzie epitaksja z wiązek molekularnych (MBE). Celembadań technologicznych jest opanowanie technik wytwarzaniaw sposób powtarzalny i całkowicie kontrolowany heterostrukturo zadanych parametrach, tzn. o ściśle kontrolowanymskładzie chemicznym i zadanych grubościach warstw. Nie jestto zadanie łatwe, ponieważ wymagane grubości dla wieluwarstw są zaledwie kilkunanometrowe (1...5 nm). Wymuszakontrole wzrostu z dokładnością do pojedynczej monowarstwyatomowej w wielogodzinnym procesie.Wynikiem realizacji projektu będzie również opracowaniemetodologii i odpowiednich narzędzi projektowania laserówkaskadowych na zadaną długość fali, co stworzy podstawędo elastycznego reagowania na potrzeby rynku w tym zakresie.Lasery kaskadowe są produktem niszowym, wymagającymspecjalistycznego know how i jako takie stanowiąidealne pole do działania dla małych firm ściśle związanychz ośrodkami badawczymi.Detektory podczerwieni z supersieciInAs/Ga 1-x In x SbObecnie dominującym materiałem w technologii detektorówśredniej podczerwieni jest HgCdTe. Jednak HgCdTe charakteryzujesię słabym wiązaniem rtęci w sieci krystalicznej.W konsekwencji prowadzi to do niestabilności sieciowej i powierzchniowejzwiązku oraz przyśpieszonej degradacji detektorówpodczerwieni, konstruowanych z HgCdTe. Wadyroztworu stałego z HgCdTe, jako materiału do konstrukcji detektorówpodczerwieni, ujawniają się szczególnie w długofalowymzakresie widmowym. Okazuje się, że małe fluktuacjeskładu powodują duże fluktuacje w długofalowej granicyczułości, a w konsekwencji duże trudności w uzyskiwaniu jednorodnychmatryc detektorów zakresu 12...14 µm. Na skutekniejednorodności składu następuje znaczna degradacja rozdzielczościtemperaturowej matryc. Z tego powodu oddłuższego czasu wśród związków grupy A III B V poszukiwanoodpowiedniego półprzewodnika do detekcji promieniowaniapodczerwonego, a szczególnie w długofalowym zakresiewidma podczerwieni.Z grupy tych związków A III B V najbardziej perspektywicznymnowym materiałem do konstrukcji detektorów podczerwienisą naprężone supersieci InAs/Ga 1-x In x Sb. Pod pewnymiwzględami właściwości fizyczne supersieci są bardziej optymalnew konstrukcji detektorów, niż właściwości HgCdTe. Ichwspółczynniki pochłaniania są porównywalne do mierzonychw HgCdTe. Masy efektywne nośników w supersieci są większeniż w HgCdTe, co ogranicza składowe prądów tunelowychw fotodiodach. Struktura pasmowa supersieci umożliwia bardziejefektywne dławienie rekombinacji Augera nośników, cowpływa na zwiększenie czasu życia nośników i polepszenieosiągów fotodiod (wydajności kwantowej, iloczynu R o A).Obecnie stan zaawansowania technologii supersieci pozwalana skonstruowanie fotodiod z InAs/GaInSb o osiągach porównywalnychz uzyskiwanymi dla fotodiod z HgCdTe.Z supersieci InAs/GaInSb można również konstruowaćwielospektralne matryce detektorów stanowiące trzecią generacjędetektorów podczerwieni. Szczególnie interesującesą wielospektralne matryce pracujące w dalszej podczerwieni,ELEKTRONIKA 5/2009 25