Полупроводниковые излучатели для средней и дальней ИК-области спектра

В настоящее время проявился существенный интерес к созданию полупроводниковых излучателей, работающих в средней (1,5–20,0 мкм) и дальней (20–1000 мкм) ИК-области спектра. Эти излучатели применяют в спектроскопии высокого разрешения, для мониторинга атмосферы, диагностики состояния нефте- и газопроводов, контроля последствий аварий на производстве, анализа дыхания пациента, диагностирования опухолей и ожогов, а также в хирургии, офтальмологии, тепловидении с повышенными возможностями, беспроводной оптической связи, ИК целеуказания, интроскопии и при досмотре багажа, в криминалистике, для оптического гетеродинирования и др. [1]. Для выполнения перечисленных выше задач необходимы эффективные полупроводниковые ИК-излучатели — светодиоды (СД) и лазерные диоды (ЛД). Рассмотрим достижения в области создания подобных излучателей.

Компания ООО «АИБИ» разработала ИК СД и ЛД [2]. В сотрудничестве с лабораторией ИК оптоэлектроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе эта компания создала целый ряд высокоэффективных светодиодов, работающих в области спектра 1,6–5,0 мкм [2]. Их внешний вид представлен на рис. 1.

Рис. 1. Типичные светодиоды LED15–LED23 для средней ИК-области спектра фирмы ООО «АИБИ»

Определение состава и концентрации вещества является неотъемлемой частью многих технологических процессов в промышленности и широко применяется в химических, биологических, геологических, космических исследованиях, в сельском хозяйстве, медицине, криминалистике и других областях. Коллектив ООО «АИБИ» в сотрудничестве с лабораторией ИК оптоэлектроники создал также целый ряд высокоэффективных светодиодов, полностью перекрывающих спектральный диапазон 0,7–5,0 мкм. Как известно, в данной области среднего ИК-диапазона находятся линии поглощения паров воды, углекислого газа, азотсодержащих молекул (N₂O, NO₂, NH₃), молекул углеводородов (метана) и многих других неорганических и органических веществ. За последние десятилетия непрерывно растет потребность в датчиках, контролирующих концентрацию этих газов в атмосфере или при протекании разного рода технологических процессов. Другая важная область применения газоанализаторов — медицина. Анализируя химический состав выдыхаемого человеком воздуха, крови и кожных покровов, можно проводить диагностику различных болезней. Несмотря на определенный прогресс в развитии химических и адсорбционных газовых сенсоров, оптические сенсоры обладают рядом преимуществ, а именно высокой селективностью, устойчивостью к агрессивной внешней среде, высоким быстродействием [2].

Рис. 2. Спектральные характеристики ИК-светодиодов LED15–LED23 фирмы ООО «АИБИ» для области спектра 1,71–2,4 мкм

СД для работы в области спектра 1,71–2,4 мкм [2] изготовлены на базе соединений GaSb, GaInAsSb, AlGaAsSb. Основные параметры этих СД представлены в табл. 1, а спектральные характеристики показаны на рис. 2 [2]. Эти СД применяются для мониторинга атмосферы, в системах связи и в медицине.

Примечания. l_тип — типичная длина волны; l_min — минимальная длина волны; l_max — максимальная длина волны;
Dl_0,5 — полуширина спектра; Р_н — мощность излучения в непрерывном режиме;Р_и — мощность излучения в импульсе;
I_н — ток накачки в непрерывном режиме; I_и — импульсный ток накачки;U — напряжение питания. При работе в импульсном режиме F = 0,5 кГц, t_и = 1 мс, q = 50%, ток 200 мА (F — частота, t_и — длительность импульса, q — коэффициент заполнения) или F = 0,5 кГц, t_и = 2 мкс, q = 0,1%, ток 1 А.

СД для работы в области спектра 2,7–4,7 мкм [2] изготовлены на базе соединений InAsSb/InAsSbP. Основные параметры этих СД представлены в табл. 2, спектральные характеристики показаны на рис. 3 [2]. Эти СД используются для построения газоанализаторов.

Рис. 3. Спектральные характеристики ИК-светодиодов LED29–LED46фирмы ООО «АИБИ для области спектра 2,7–4,7 мкм»

ЛД этой же фирмы, работающие в области спектра 2,0–3,6 мкм, выполнены на основе соединения А₃В₅ и изготовлены в виде гетероструктур InAsIGaSb. Основные параметры этих ЛД представлены в табл. 3, внешний вид — на рис. 4 [2]. Эти ЛД используются в медицине и системах волоконно-оптической связи, а также для контроля содержания в атмосфере таких газов, как NH₄, H₂S, HCHO, CH₃Cl и др., и для построения соответствующих газоанализаторов.

Рис. 4. Внешний вил лазерных диодов фирмы ООО «АИБИ» для области спектра 2,0–3,6 мкм

Примечания. l — длина волны, I_пор — пороговый ток, Dt_раб — диапазон рабочих температур, * — F = 8 кГц, t_и = 62 мкс, q = 50% или F = 8 кГц, t_и = 2 мкс, q = 0,1%.

ИК-светодиоды серии ИП151А производства ОАО НИИ «Гириконд» [3] представляют собой активную структуру на основе твердого раствора PbSePCdSe c накачкой излучением GaAs-светодиода. На входе изделия устанавливается узкополосный интерференционный фильтр на кремниевой основе с многослойным оптическим покрытием, выполняющим одновременно роль защитного окна. Полуширина спектра фильтра для области спектра 2,5–5,0 мкм может составлять от 40 нм до 200–300 нм при пропускании в максимуме не менее 70%. Светодиоды монтируются в корпусе КТ-2 и работают от напряжения, равного 10 В, имеют рабочий ток при непрерывном режиме, составляющий 0,1 А, рабочий ток в импульсном режиме работы — 2 А, t_и = 100 мкс, при q = 200, время нарастания и спада импульса 10 мкс [3]. Остальные параметры светодиодов серии ИП151 представлены в табл. 4 [3].

В средней ИК-области спектра работают перестраиваемые по частоте полупроводниковые лазеры на модах шепчущей галереи (whispering gallery modes — WGM) [4]. Это своеобразное название было использовано для обозначения собственных мод дисковых резонаторов. В ФТП им. А.Ф. Иоффе были созданы и исследованы полупроводниковые дисковые лазеры (ПДЛ) на основе квантово-размерной гетероструктуры, содержащей две квантовые ямы GaInAsSb/AlGaAsSb шириной 100 ангстрем для спектрального рабочего диапазона 2,0–2,4 мкм. В процессе работы лазера (в непрерывном режиме при комнатной температуре) наблюдалась сверхбыстрая перестройка длины волны от 2,240 до 2,275 мкм. Такие WGM-лазеры могут быть использованы в спектрометрах.

Известно, что лазеры с вертикальным выводом излучения (VCSEL) широко используются для работы в видимой и ближней ИК-области спектра. При создании ЛД для средней ИК-области спектра перспективными являются полупроводники группы А^IVВ^VI, которые, в частности, обладают высоким оптическим контрастом [5]. В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН были разработаны ЛД, предназначенные для работы при температуре, близкой к азотной, в средней ИК-области спектра. При изменении температуры в пределах 15–20 К диапазон температурной перестройки частоты излучения ЛД составляет примерно 15 см^–1. ЛД работали в непрерывном одномодовом режиме при оптической накачке в диапазоне длин волн около 4–5 мкм.Для применения в спектроскопии и медицине, а также для контроля за состоянием окружающей среды могут быть использованы лазеры на легированных переходными металлами на кристаллах А^IIВ^VI, работающие в средней ИК-области спектра. Для накачки кристаллов можно использовать мощные ПДЛ. Впервые в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН была получена генерация излучения в активной среде на основе Cr:⁺²CdSe при накачке излучением ПДЛ [6]. Была достигнута мощность излучения в непрерывном режиме 3,2 Вт на длине волны 2,6 мкм при дифференциальной эффективности 55,4%.

Наибольший интерес вызывают квантово-каскадные лазеры (ККЛ) [7–11]. ККЛ представляет собой ЛД, излучающий в ближнем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых ЛД, которые излучают электромагнитные волны посредством рекомбинации электронно-дырочных пар, преодолевающих запрещенную зону полупроводника, излучение ККЛ возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника. Оно состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии. ККЛ обычно работают при комнатной температуре в непрерывном и в импульсном режиме. Усредненные по времени выходные мощности обычно составляют несколько милливатт, что соответствует пиковым значениям мощности в импульсе в несколько сотен милливатт.

Рис. 5. Квантово-каскадный лазер в корпусе HHL с высокой тепловой отдачей для работы в непрерывном режиме

Стандартный монтаж — транзисторный корпус ТО-5 и ТО-8, а также на открытом теплоотводе (корпус С-mount). Кроме того, по желанию заказчика могут быть выполнены другие варианты монтажа ККЛ. ЛД данного типа могут быть использованы для наблюдения за уровнем загрязнения атмосферы, в охранных системах, а также в медицине, поскольку с его помощью потенциально возможно качественно и количественно определять содержание в тканях человека сложных химических соединений [7–11]. В табл. 5–7 [8, 9, 12] приведены параметры нескольких типичных ККЛ.

Рис. 6. Квантово-каскадный лазер в корпусе ТО-8 для работы в импульсном режиме

Внешний вид типичных ККЛ представлен на рис. 5, 6, а типичная спектральная характеристика ККЛ показана на рис. 7.

Рис. 7. Спектр излучения квантово-каскадного лазера «Фабри-Перо» при комнатной температуре с длиной волны 8,7 мкм при токе 1,7 А и его внешний вид

Примечание. Ток накачки в непрерывном режиме составляет 0,3–2,0 А, в импульсном — 1–4 А, рабочее напряжение равно 8–10 В, а срок службы — до 5 лет.

Примечания. ККЛ работают при комнатной температуре. При работе ККЛ в импульсном режиме F = 200 кГц, t_и = 10 нс при рабочей температуре 20 °С.

Второй луч в ККЛ реабсорбирует (т. е. поглощает) только 10% выпущенных фотонов по сравнению с первым. Это определяет высокую эффективность ККЛ, особенно при высоких рабочих температурах. Благодаря этому возможна генерация в ККЛ длинноволнового ИК излучения при высоких температурах [7, 8]. Рабочая температура ККЛ значительно превышает комнатную, доходя до 400 К, а характеристическая температура может достигать 500 К [9]. В области спектра 4–5 мкм ККЛ генерируют особенно большую мощность излучения, достигающую 5 Вт в непрерывном и 120 Вт в импульсном режиме при 300 К. При работе в непрерывном режиме ККЛ при температуре 80 К генерируют мощность излучения 7,3 Вт на длине волны 4,6 мкм при КПД, равном 30%. Для одномодовых ККЛ типичная мощность излучения составляет примерно 0,1 Вт, хотя в отдельных случаях она может быть и на порядок выше. КПД «от розетки» ККЛ с большим числом каскадов при низких температурах может превышать 50% [9].

ККЛ могут работать в области спектра 2,7–300,0 мкм [10, 11]. При этом ККЛ на основе AlInAs/GaInAs излучают в области спектра 3,6–100,0 мкм, а ККЛ на основе Si/SiGe — в области спектра 7,5–9,5 мкм. Рабочая область спектра ККЛ на основе GaAs/AlGaAs простирается в диапазоне 8–300 мкм.

ККЛ прочно заняли нишу компактных когерентных перестраиваемых источников излучения терагерцового диапазона, работающих в дальней ИК-области спектра. Прецизионное регулирование таких параметров, как толщина и уровень легирования слоев, позволяет создать ККЛ с новыми функциональными возможностями и улучшенными характеристиками [9]. Конкретными примерами терагерцовых ККЛ могут служить некоторые их образцы [9], излучающие:

• на длине волны 60–250 мкм с частотой 1,2–5,0 ТГц при рабочей температуре 5–200 К при мощности излучения 8–56 мВт;
• на длине волны 70 мкм с частотой 4,7 ТГц при рабочей температуре 5–200 К и при той же мощности излучения;
• на длине волны 60–250 мкм с частотой 3 ТГц при рабочей температуре 5–200 К при мощности излучения 8–56 мВт;
• на длине волны 75–300 мкм с частотой 1–4 ТГц при рабочей температуре 4–20 К при мощности излучения 0,02–1,30 мВт.

Таким образом, для указанных выше применений существует достаточно большое количество разнообразных СД и ЛД, работающих в средней и дальней ИК-области спектра