Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 8, стр. 815-821

ВВЕДЕНИЕ

Развитие промышленности и активной жизнедеятельности человека привело к изменению атмосферы Земли с возникновением “парникового эффекта”, основой которого являются такие газы, как метан, пары воды и СО₂ [1–4]. В связи с этим большое значение придается контролю атмосферных газов [5–7]. В литературе описано довольно много вариантов и методов контроля парниковых газов как на уровне Земли [8, 9], так и в верхних слоях атмосферы [10].

Большой интерес представляет контроль этих газов с использованием материалов квантовой электроники – лазерных диодов специального конструктивного исполнения с заданной длиной волны излучения, соответствующей полосе поглощения детектируемого газа, основой для создания которых являются полупроводниковые гетероструктуры (гетеропереходы) [11, 12]. Полупроводниковые лазеры в силу своей миниатюрности и малой области свечения позволяют проводить эффективный ввод излучения в оптическое волокно [13, 14], что в свою очередь позволяет передавать детектируемый сигнал на значительные расстояния (до 10–15 км) без ретрансляторов.

Датчики газов с использованием лазерных диодов и волоконно-оптических линий связи имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими типами датчиков:

– полная взрывобезопасность и высокое быстродействие;

– удаленный контроль объекта;

– селективность на заданный газ;

– отсутствие влияния электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательных явлений, связанных с грозовыми разрядами;

– высокая коррозионная стойкость;

– малые потери на передаваемый сигнал, что позволяет передавать его на расстояние до 20 км от аварийного участка;

– возможность передачи служебной информации и видеозаписи объекта по одному оптоволокну.

Из вышесказанного становятся очевидными преимущества датчиков на основе лазерных диодов и волоконно-оптических систем передачи информации для контроля газов, таких как метан, диоксид углерода, пары воды, сероводород, фторид водорода и др.

Диоксид углерода имеет линии поглощения на различных длинах волн, в том числе на 1600, 2060 нм [15, 16]. Длина волны 1600 нм является обертоном основной линии поглощения СО₂ [16], однако интенсивности этого обертона вполне хватает для контроля СО₂ [17]. Кроме того, лазерный диод на данной длине волны может работать в диапазоне температур от –40 до +50°С, что позволяет произвести точную подстройку длины волны на максимальный сигнал от поглощения.

Решение этой проблемы лежит в создании диодов на основе многокомпонентных твердых растворов А^IIIВ^V. Для изучения зависимости свойств от состава были предложены различные полупроводниковые соединения [18]. Одновременно были проведены интерполяционные процедуры, учитывающие свойства двухкомпонентных соединений, составляющих тройную систему GaAs–InAs–GaP [19, 20].

Для контроля диоксида углерода основной проблемой, сдерживающей создание датчиков, является отсутствие в нашей стране надежного лазерного диода, излучающего на длине волны 1600 нм, который позволил бы излучать свет в полосе поглощения СО₂ и при этом имел бы низкие оптические потери в коммерческом оптическом волокне.

Целью данной работы является создание и исследование гетероструктуры InP/GaInAsP канального типа для лазерного диода, излучающего в полосе поглощения диоксида углерода – 1590–1610 нм.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Многослойные гетероструктуры InP/GaInAsP выращивали методом жидкофазной эпитаксии из раствора в расплаве In. С целью получения лазерного диода, работающего в одномодовом режиме генерации, использовали конструкцию гетероструктуры “канал в подложке” [21, 22]. Рост гетероструктур проводили в контейнере из пирографита, помещенном в кварцевый реактор. В реактор проточного типа подавали осушенный водород с точкой росы –60°С. Начальная температура роста составляла 620°С, исходное переохлаждение растворов-расплавов – 5°С. Технологический режим создания подобной структуры состоит из трех стадий

1) Выращивание блокирующего p–n-перехода на подложке фосфида индия p-типа проводимости, легированного цинком, с ориентацией (100) и концентрацией носителей 5 × 10¹⁸ см^–3. Начальная температура роста составляла 620°С. Рост происходил в кварцевом реакторе в токе водорода с точкой росы – 60°С, в графитовом контейнере, с исходным переохлаждением растворов-расплавов 5°С.

2) Создание профилированной поверхности в виде клинообразных каналов шириной 2 и глубиной 8 мкм [21]. Каналы формировали вдоль направления [110]. Эти каналы являются проводниками тока и должны создавать излучающую активную область лазерного диода.

3) Выращивание на профилированной подложке гетероструктуры с трехслойным волноводом и с одной квантовой ямой с составом, соответствующим длине волны излучения 1600 нм лазерного излучателя, с серповидным каналом в подложке и блокирующим слоем.

Состав твердого раствора GaInAsP подбирался таким образом, что длина волны лазерного излучения соответствовала 1600 ±10 нм.

Профили составов выращенных слоев контролировали с помощью масс-спектроскопии вторичных ионов на микроанализаторе СAMECA ISM 3F. Снимали профили по элементам: Ga, In, As, P, по глубине эпитаксиальных слоев. Травление проводили ионами Cs⁺ с энергией 10 кэВ (ионный ток около 200 нА). Разрешение ионного пучка составляло около 1 мкм, глубина разрешения – от 10 до 50 нм. Результаты анализа приведены на рис. 1. Видно четкое распределение компонентов по эмиттерным слоям и активной области твердого раствора. Также хорошо видна геометрия данной структуры.

Рис. 1.

Профиль состава гетероструктуры InP/GaInAsP.

Схема технологического процесса создания мезаполосковой канальной гетероструктуры InP/InGaAsP/InP с серповидной активной областью на p-InP методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) представлена на рис. 2. На исходной подложке формировали канал с последующим выращиванием планарной гетероструктуры InP/GaInAsP [23]. Результаты заращивания канала представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 2.

Схема технологического процесса создания мезаполосковой канальной гетероструктуры InP/InGaAsP/InP.

Рис. 3.

Лазерная гетероструктура InP/GaInAsP с каналом в подложке; ×15 000.

Рис. 4.

Схема чипа лазерного диода зарощенного типа с каналом в блокирующей подложке InP.

Узкозонная активная область InGaAsP со всех сторон окружена широкозонным InP, что создает надежное оптическое ограничение лазерному излучению. Ограничивающая токи утечки структура p–n–p–n находится по обе стороны от активной области. Активная область располагается напротив блокирующего слоя p-InP с тем, чтобы увеличить последовательное сопротивление каналов токов утечки вне активной области лазерного диода и снизить последовательное сопротивление рабочего тока через активную область. Схематическое изображение поперечного скола чипа лазерного диода с каналом в подложке и блокирующими слоями приведено на рис. 4. Активная область располагается в канале исходной подложки с блокирующими слоями. Процесс формирования такой гетероструктуры осуществляется в две стадии жидкофазного выращивания.

Отличительной особенностью данной конструкции является то, что процесс роста активного слоя твердого раствора двойной гетероструктуры осуществляется в последней стадии жидкофазного выращивания. Это позволяет избежать высокотемпературной обработки излучающей активной области, что и приводит к высокой воспроизводимости электрофизических параметров. Кроме того, ширину канала для излучающей активной области можно создавать размером от 1.5 мкм, что позволяет снизить рабочие токи до 15–25 мА и достигать квантовой эффективности излучения 35%.

Окончательно судить о пригодности выращенных лазерных структур можно по результатам контроля изготовленных из них лазерных диодов. В связи с этим возникла необходимость в изучении пробных образцов лазерных диодов, изготовленных из конкретной пластины. Толщину структур методом химического травления доводили до 100–120 мкм, наносили омические контакты на n- и р-стороны, раскалывали на элементы с длиной резонатора Фабри-Перо 300 мкм, монтировали на медные субмаунты и проводили изучение характеристик. Лазерный чип монтировали на микроохладитель (элемент Пельтье) в корпус типа “баттерфляй”. Одновременно рядом с чипом лазерного диода монтировали градуированный терморезистор, позволяющий поддерживать и измерять температуру с точностью ±0.2°С. Были проведены исследования вольтамперной и ваттамперной характеристик чипов лазерных диодов. Диоды работали на постоянном токе от 25 до 80 мА. При этом выходная мощность излучения составляла от 3 до 15 мВт. Результаты исследований мощностных характеристик лазерных диодов представлены на рис. 5. Видно, что диод работает в одномодовом режиме с линейной ваттамперной характеристикой.

Рис. 5.

Ваттамперная характеристика лазерных диодов с длиной волны излучения 1600 нм, t = 20°С.

Cпектральные характеристики лазерного диода снимали на оптическом анализаторе спектров Ando (модель AQ-6330), мощностные характеристики контролировали при помощи оптического тестера FOD-1204. В качестве драйвера лазерного диода использовали контроллер тока и температуры “Пилот-2” фирмы Superlum. Драйвер позволял поддерживать ток в диапазоне от 10 до 400 мА, а также поддерживать температуру лазерного диода в диапазоне от –50 до +70°С.

Типичная спектральная характеристика оптического излучения лазерного диода представлена на рис. 6. Видно, что диод работает на одной продольной моде излучения, что позволяет использовать его в системах передачи данных по оптическому волокну. Длина волны излучения 1604.3 нм соответствует заданному составу твердого раствора InGaAsP и пику поглощения диоксида углерода.

Рис. 6.

Спектральная характеристика лазерного диода.

Для изучения возможности изменения длины волны излучения лазерного диода с изменением температуры окружающей среды были проведены исследования перестройки длины волны в диапазоне температур от 25 до 60°С. Результаты исследований представлены на рис. 7. Видно, что представленный лазерный диод позволяет изменять длину волны в диапазоне от 1595 до 1605 нм. Таким образом, монтируя чип диода на микроохладитель, можно точно подобрать длину волны излучения под обертон поглощения диоксида углерода. Видно, что в зависимости от температуры лазерного диода удается перестраивать спектр излучения на величину до 10 нм, при этом мощность излучения поддерживается на уровне 5.0 МВт, что вполне достаточно для создания оптоволоконных систем для удаленного контроля диоксида углерода.

Рис. 7.

Длина волны излучения лазерного диода в диапазоне температур от 25 до 60°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показаны широкие возможности полупроводниковых соединений А^IIIВ^V и твердых растворов на их основе [23] для создания функциональных материалов квантовой электроники.

Проведен комплекс физико-технологических исследований по созданию канальных лазерных диодов с “серповидной” активной областью и планарными поверхностями гетероперехода InP/GaInAsP, позволяющих контролировать диоксид углерода, с возможностью точной подстройки длины волны.

Изучены основные характеристики лазерных диодов, излучающих на длине волны линии поглощения СО₂. Исследована возможность работы таких диодов в диапазоне температур от 20 до 60°С. Показана возможность температурной перестройки длины волны лазерного излучения в области поглощения СО₂. Анализ спектральных и мощностных характеристик лазерного диода позволяет предположить возможность эффективного ввода излучения в оптическое волокно с удаленным контролем диоксида углерода.