УДК 537.311;539.22;564.681
СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА ДЛЯ УДАЛЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА © 2012 г. М. Г. Васильев, А. М. Васильев, А. Д. Изотов, А. А. Шелякин
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва e-mail: mgvas@igic.ras.ru, izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 23.09.2011 г.
Рассмотрен вариант создания удаленного контроля довзрывоопасных концентраций метана с использованием оптико-волоконных линий. Показана перспективность системы удаленного контроля метана с использованием лазерного диода с длиной волны излучения 1655 нм. Отработана оригинальная технология выращивания эпитаксиальных зарощенных гетероструктур InGaAsP/InP для лазеров с длиной волны излучения 1655 нм. Созданы одномодовые лазерные диоды с длиной волны излучения 1655 нм. Изучены параметры лазерных диодов. Показана возможность их использования в реальных системах удаленного контроля метана.
ВВЕДЕНИЕ
Потребность в датчиках, заменяющих органы чувств человека, стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик, датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, а также возможностью контроля объекта на удаленных расстояниях.
Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические приборы: датчики давления, температуры, охраны объектов, точного наведения, концентрации газа и ряд других [1-3].
Датчики контроля газа позволяют контролировать состав газа и его концентрацию на дальних расстояниях. Принцип действия этих датчиков основан на том, что свет, излучаемый светодиода-ми или лазерами с заданными длинами волн, поступает в сосуд с измеряемым газом через оптическое волокно. Часть световых волн с длиной, соответствующей полосам поглощения этого газа, будет поглощаться. Таким образом, подавая с помощью волокна свет, выходящий из сосуда с газом, на фотоприемник, настроенный на заданную длину волны излучения, и зная полосу поглощения газа, можно измерить концентрацию газа [4].
Волоконно-оптические датчики газов имеют ряд преимуществ перед другими типами датчиков:
— полная взрывобезопасность и высокое быстродействие;
— селективность на заданный газ;
— отсутствие влияние 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.
Волоконно-оптические датчики используются для контроля метана, диоксида углерода, влаги, сероводорода, фторида водорода и др.
Для контроля взрывоопасного метана основной проблемой, сдерживающей создание таких датчиков, является отсутствие надежного источника, который позволял бы излучать свет в полосе поглощения метана в диапазоне 1.2—1.8 мкм, в котором оптические потери в коммерческих волоконных световодах минимальны.
Метан имеет поглощение на различных длинах волн: 1.33, 1.65, 3.39 мкм. Однако волоконно-оптический датчик с высокой чувствительностью можно сделать только с использованием светоиз-лучающих диодов с длиной 1.65—1.68 мкм.
Решить эту проблему можно путем создания диодов на основе многокомпонентных твердых растворов систем АШВУ—АШВУ. Для аналитической зависимости свойств и состава были предложены различные полупроводниковые соединения и рассмотрены их свойства в связи с изменением составов. Одновременно были проведены интерполяционные процедуры, учитывающие свойства двухкомпонентных соединений и харак-
тер их изменении вдоль двухкомпонентных систем, являющихся сторонами концентрационного квадрата ОаАз—1пАз—ОаР [5, 6].
Для управления работой и перестройкой длины волны излучения сенсора необходима информация об изменении ширины запрещенной зоны и длины волны при варьировании температуры и давления. Однако имеющийся в данном случае опыт весьма ограничен. В [6] расчетное значение йЕ^йТ = 3.52 х 10 эВ/К для _ ^Оа^А?^ _ у при у = 0.59 удовлетворительно согласуется с экспериментом [4]. Исследование фотолюминесценции эпитаксиальных слоев твердых растворов 1п1-хОахАзуР1-у [7] позволило отметить, что спектры люминесценции относительно узкие, состоят из одного пика и их полуширина слабо изменяется с составом вдоль изопериодной с 1пР линии. Электрофизические свойства твердых растворов 1п1 _ хОахАзуР1 _ в значительной степени определяются составом.
Цель данной работы — создание излучающего элемента: полупроводникового лазерного диода, работающего в спектральном диапазоне длин волн 1662—1665 нм для возможности контроля довзрывоопасных концентраций метана. Отметим, что метод получения и конструкция лазерного диода должны обеспечить возможность ввода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно.
МЕТОДИКА ВЫРАЩИВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
Многослойные гетероструктуры
1пР/1пОаАзР/1пР выращивали методом жидко-фазной эпитаксии (ЖФЭ) из раствора в расплаве индия. С целью получения лазерного диода, работающего в одномодовом режиме генерации, использовали конструкцию гетероструктуры "канал в подложке" [8].
Технологический процесс создания подобной структуры состоит из трех стадий:
1) выращивание блокирующего р-п-перехода на подоложке фосфида индия р-типа проводимости;
2) создание токопроводящего канала в подложке с блокирующими слоями;
3) выращивание на профилированной подложке гетероструктуры с трехслойным волноводом, содержащим одну квантовую яму, в виде серповидного канала в подложке с изолирующим слоем (состав волновода соответствует длине волны излучения 1665 нм).
Схема технологического процесса создания ме-заполосковой гетероструктуры 1пР/1пОаАзР/1пР с серповидной активной областью на р-1пР методом ЖФЭ представлена на рис. 1. Узкозонная ак-
тивная область 1пОаАзР со всех сторон окружена широкозонным 1пР (предельное оптическое отражение). Ограничивающая токи утечки структура р—п—р—п находится по обе стороны от активной области. Активная область располагается напротив блокирующего слоя р-1пР, чтобы увеличить последовательное сопротивление каналов токов утечки. Процесс формирования такой гетероструктуры осуществляется в две стадии жидко -фазного выращивания. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что процесс формирования двойной гетероструктуры осуществляется в последней стадии жидкофазно-го выращивания. Это позволяет избежать высокотемпературной обработки, что и приводит к высокой воспроизводимости электрофизических параметров. Технологические этапы создания планарной зарощенной мезаполосковой структуры с "серповидной" активной областью описаны в [8].
После заращивания гетероструктура (рис. 2), имеющая практически планарную поверхность, доводится до толщины ~100 мкм. Химическим травлением на установке химико-динамической полировки частично удаляется подложка фосфида индия. Такое утончение подложки фосфида индия позволяет снизить последовательное сопротивление лазерного диода и уменьшить тепловое сопротивление при монтаже на контактной пластине.
Ряд гетероструктур выращивали с активной областью, состоящей из одного слоя твердого раствора Оа1пАзР с длиной волны излучения 1662—1665 нм. Одновременно с этим выращивали гетероструктуры с каналом в подложке с более широким трехслойным оптическим волноводом, позволяющим создавать раздельное оптическое и электрическое ограничение. Такой тип волновода позволяет достигать больших предельных мощностей лазерных диодов.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО СОВЕРШЕНСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР
С целью детального изучения тонкой структуры эпитаксиальных слоев и гетеропереходов были проведены исследования атомного строения твердого раствора и гетерограниц путем прямого наблюдения атомной структуры методом HREM.
Результаты приведены на рис. 3, где стрелками указаны границы раздела между слоями фосфида индия и твердых растворов крайних и промежуточных составов, соответствующих длинам волн 1665, 1662, 1550 нм. Все слои имели четкую атомную структуру с высоким разрешением. Размеры между атомами твердого раствора составляли ~0.34 нм (решетка твердого раствора находится в сжатом состоянии), при этом наблюдалась ос-
Первый процесс ЖФЭ
tJT
конц. HCl
a
V
InGaAsP фоторезист
технологический \
p-InP блокирующий _ _ n-InP _ блокирующий
—p-InP буферный"
_p-InP подложка-Фотолитография
1HCl:2CH2COOH:1H2O2
Удаление фоторезиста
конц. HCl
InGaAsP контактный —. n-InP эмиттерный
InGaAsP активны
p-InP эмиттерный
Удаление InGaAsP технологического слоя
Второй процесс ЖФЭ
Металл ZnSe
Металл
Формирование излучающего элемента
Рис. 1. Схема технологического процесса создания мезаполосковой гетероструктуры 1пР/1пОаЛБРДпР с "каналом в подложке".
цилляция отдельных атомов в виде кластеров размером 5—6 нм.
По-видимому, это связано с осцилляцией ближнего порядка состава твердого раствора. Анализ контраста, выявленного на межслойных переходах, позволяет предположить, что гетеро-границы фрагментов слоев имеют протяженность ~20 нм. Отметим, что дислокаций несоответствия, так же, как и в случае исследования методом ТЕМ, не обнаружено.
Профили распределения компонентов по глубине структур исследовали методами Оже и SIMS. Результаты приведены на рис. 4. Были изу-
чены также фрагменты слоев, выращенных методом ЖФЭ. Профили составов хорошо согласуются с заданным исходным составом твердых растворов.
На профилях фрагментов, выращенных методом ЖФЭ, наблюдаются плавные границы раздела ширины запрещенной зоны и эпитаксиальных слоев гетероструктуры. Комплексный анализ фрагментов эпитаксиальных гетероструктур 1пР/1пОаЛ8Р/1пР показал высокое атомное совершенство слоев и отсутствие дислокаций несоответствия между слоями.
Рис. 2. Гетероструктура с "каналом в подложке" после заращивания и формирования активного лазерного излучателя (х3500).
На поверхностях р- и «-типа проводимости формируются омические контакты А^п—Аи и А
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.