Изобретение относится к устройствам квантовой электроники и электрофизики, а более конкретно к полупроводниковым электроразрядным лазерам (ПЭЛ), возбуждаемым импульсами высокого напряжения, и может быть использовано в устройствах оптоэлектроники, оптической связи, при исследовании быстропротекающих процессов в биологических тканях и регистрирующих приборах.The invention relates to devices of quantum electronics and electrophysics, and more particularly to semiconductor electric-discharge lasers (PEL), excited by high voltage pulses, and can be used in devices of optoelectronics, optical communication, in the study of fast processes in biological tissues and recording devices.
Известны полупроводниковые лазеры («стримерные»), возбуждаемые наносекундными (10-7-10-8с) импульсами высокого напряжения [А.С.Насибов и др. Авт. свид. №807962 от 12.02.1980, Н.Г.Басов др. Письма в ЖЭТФ, 19, 650 (1974)]. Такие лазеры содержат генератор высоковольтных импульсов, один электрод которого подсоединен к полупроводниковой пластине, помещенной в жидкий диэлектрик. Особенностью всех лазеров такого типа является то, что второй электрод удален на значительное расстояние для предотвращения пробоя полупроводниковой пластины. Существенным недостатком таких лазеров является возникновение генерации лазерного излучения вдоль определенных кристаллографических направлений и малый диаметр генерирующей области (до десятка микрон), что связано с распределением электрических полей в кристалле и ограничивает мощность, увеличивает расходимость излучения и не позволяет управлять числом и местом положения генерирующих областей.Known semiconductor lasers ("streamer"), excited by nanosecond (10 -7 -10 -8 s) high voltage pulses [A.S. Nasibov et al. Auth. testimonial. No. 807962 dated 12.02.1980, N.G. Basov et al. Letters in JETP, 19, 650 (1974)]. Such lasers contain a high-voltage pulse generator, one electrode of which is connected to a semiconductor wafer placed in a liquid dielectric. A feature of all lasers of this type is that the second electrode is removed at a considerable distance to prevent breakdown of the semiconductor wafer. A significant drawback of such lasers is the generation of laser radiation along certain crystallographic directions and the small diameter of the generating region (up to ten microns), which is associated with the distribution of electric fields in the crystal and limits the power, increases the divergence of radiation and does not allow controlling the number and location of the generating regions.
Перечисленные недостатки в значительной мере могут быть устранены изменением конструкции ПЭЛ и применением пикосекундных импульсов высокого напряжения. Применение пикосекундных импульсов позволяет увеличить пробивную прочность, сблизить электроды, между которыми расположена полупроводниковая пластина, и обеспечить условия, в которых разряд распространяется по направлению силовых линий электрического поля. При этом отпадает необходимость помещать кристалл и электрод в жидкую диэлектрическую среду и появляются дополнительные возможности ионизации полупроводника излучением разряда и электронным пучком, образующимися в разрядном промежутке при приложении высоковольтных пикосекундных импульсов. Такой лазер является наиболее близким по технической сущности к данному изобретению [Г.А.Месяц и др. Квантовая электроника, 38, (3), 213 (2008)]. Лазер содержит высоковольтный генератор пикосекундных (10-10-10-9c) импульсов, катодный электрод; полупроводниковую пластину из селенида цинка, кольцевой анодный электрод, выполненный в виде металлического цилиндра, через отверстие в котором выводится излучение. Устройство работает следующим образом. При достижении в полупроводнике напряженности электрического поля 104-105 В см-1 в результате ударной ионизации, туннельного и фотоэффекта образуется плотная электронно-дырочная плазма, в которой возникают условия для усиления и генерации лазерного излучения. При импульсном напряжении 104-105В длительностью (1-5)10-10 c лазер излучает световые импульсы мощностью от сотен ватт до единиц киловатт с длиной волны, определяемой шириной запрещенной зоны полупроводниковой пластины. Недостатком такого лазера является нестабильность положения генерирующей области, возможность распространения разряда вдоль поверхности полупроводника, достаточно быстрая деградация области, к которой прилегает отрицательный электрод, невозможность управления числом и положением генерирующих лазерное излучение областей. Основная причина заключается в устройстве активного элемента - катод плотно прижат к полупроводниковой пластине, между анодом и полупроводниковой пластиной существует воздушный зазор, отсутствует защита от поверхностного разряда по пластине к аноду.These disadvantages can be largely eliminated by changing the design of the PEL and the use of picosecond high-voltage pulses. The use of picosecond pulses makes it possible to increase the breakdown strength, to bring together the electrodes between which the semiconductor wafer is located, and to provide conditions in which the discharge propagates in the direction of electric field lines. In this case, there is no need to place the crystal and the electrode in a liquid dielectric medium and additional opportunities arise for the semiconductor to be ionized by discharge radiation and an electron beam that form in the discharge gap upon application of high-voltage picosecond pulses. Such a laser is the closest in technical essence to this invention [G.A. Mesyats et al. Quantum Electronics, 38, (3), 213 (2008)]. The laser contains a high voltage picosecond (10 -10 -10 -9 c) pulse generator, a cathode electrode; a semiconductor wafer made of zinc selenide, an annular anode electrode made in the form of a metal cylinder, through which the radiation is output. The device operates as follows. When the electric field reaches 10 4 -10 5 V cm -1 in the semiconductor as a result of impact ionization, tunneling and photoelectric effect, a dense electron-hole plasma is formed in which conditions arise for amplification and generation of laser radiation. At a pulsed voltage of 10 4 -10 5 V with a duration of (1-5) 10 -10 s, the laser emits light pulses with a power of hundreds of watts to units of kilowatts with a wavelength determined by the band gap of the semiconductor wafer. The disadvantage of such a laser is the instability of the position of the generating region, the possibility of the discharge propagating along the surface of the semiconductor, rather fast degradation of the region adjacent to the negative electrode, and the inability to control the number and position of the laser-generating regions. The main reason is the arrangement of the active element - the cathode is firmly pressed against the semiconductor wafer, there is an air gap between the anode and the semiconductor wafer, and there is no protection against surface discharge along the wafer to the anode.
Задачей, решаемой изобретением, является обеспечение стабилизации положения генерирующей области, устранение возможности распространения разряда вдоль поверхности полупроводника, обеспечение возможности генерации одновременно в нескольких активных областях полупроводниковой пластины и управления мощностью излучения.The problem solved by the invention is to ensure stabilization of the position of the generating region, eliminating the possibility of the propagation of the discharge along the surface of the semiconductor, making it possible to simultaneously generate in several active areas of the semiconductor wafer and controlling the radiation power.
Поставленная задача решается следующим образом. В ПЭЛ (Фиг.1), содержащем генератор высоковольтных импульсов (на фиг.1 не показан), передающую линию 1, камеру 2, электрод 3 напротив полупроводниковой пластины 5 лазерной мишени (ЛМ) и электрод 4 напротив подложки 6. ЛМ состоит из плоскопараллельной полупроводниковой пластины 5 и подложки 6, соединенных между собой тонкой диэлектрической прослойкой 7. Полупроводниковая пластина изготавливается из двойного или тройного прямозонного полупроводникового соединения А2В6 (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, ZnSSe, ZnCdS, CdSSe) или А3В5 (GaAs, GaN, GaAlN, GaAlAs, AlN, InN и т.п.). Подложка 6 изготавливается из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью и диэлектрической проницаемостью, меньшей или равной величине диэлектрической проницаемости полупроводниковой мишени (оргстекло, тефлон и т.п.). На подложке с целью концентрации электрического поля в заданном месте сделано одно или несколько отверстий заданной конфигурации (щель, овал, окружность и т.п.). Число, размер и форма отверстий определяется необходимостью получения одного или нескольких источников лазерного излучения. Параметры диэлектрической подложки (толщина, число и форма отверстий) определяются экспериментально и зависят от поставленной задачи. Прослойка 7 изготавливается из диэлектрического материала с диэлектрической постоянной, близкой или равной диэлектрической постоянной подложки, и необходима для исключения воздушного зазора и закрепления полупроводниковой пластины на подложке. В качестве диэлектрической прослойки может быть использован, например, эпоксидный клей или трансформаторное масло. Параметры генератора высоковольтных импульсов выбраны из следующих условий: амплитуда импульса (А=50-100кВ) превышает порог генерации, длительность импульса ti<d/v, где d - толщина полупроводника, v - скорость распространения разряда. С учетом v~108 см·с-1, d=0.5-1 мм имеем ti~(0,5-1)10-9 с; длительность фронта выбирается из условия tf≤0.1 ti, т.е. не должна превышать 100 пкс. Для достижения минимальных искажений формы импульса камера 2 выполнена в виде отрезка коаксиальной линии с волновым сопротивлением R, согласованным с передающей линией 1. Электрод 3 выполнен в виде усеченного конуса. Расстояние от вершины конуса 3 до полупроводниковой пластины 6 выбирается из условия: L<Vp*tf, где L - расстояние между вершиной конуса и плоскостью полупроводниковой пластины, Vp - скорость распространения разряда в промежутке между электродом 3 и полупроводниковой пластиной. Обычно L<1 см. Второй подвижной заземленный плоский электрод 4 расположен за ЛМ. На электроде 4 сделано одно или несколько отверстий, соосных отверстиям в диэлектрической подложке. Для создания более равномерного электрического поля отверстие на заземленном электроде может быть затянуто металлической сеткой. Зазор между электродом 4 и подложкой 5 можно менять от 0 до нескольких сантиметров, что приводит к изменению емкости С между поверхностью полупроводниковой пластины и заземленным плоским электродом. При увеличении зазора величина емкости С и напряженность электрического поля в полупроводниковой пластине уменьшаются, что приводит к уменьшению мощности излучения. Для уменьшения порога начала генерации и увеличения эффективности излучения на плоскости полупроводниковой пластины наносятся отражающие диэлектрические покрытия или формируется микрорельеф, выполняющий роль селективного зеркала [Gurskii et al. Abstr. VI Inter. Conf. on II-VI Comp., Newport, USA, p.112 (1993)]. Применение электрода 4 в виде усеченного конуса, расположенного на расстоянии L<Vp*tf от полупроводниковой пластины, позволяет исключить деградацию полупроводниковой пластины, которая происходит в результате возникновения ударной волны в местах соприкосновения с полупроводниковой пластиной. При выполнении электрода в форме усеченного конуса, расположенного на расстоянии L от полупроводниковой пластины, в промежутке электрод-полупроводниковая пластина возникает диффузный разряд, который равномерно заряжает многослойную емкость С. Разряд по поверхности полупроводниковой пластины исключается диэлектрической подложкой с высокой электрической прочностью и диэлектрической постоянной примерно в 4-5 раз меньше, чем диэлектрическая постоянная полупроводниковой пластины. При этом напряженность электрического поля в подложке будет значительно превышать напряженность поля в полупроводниковой пластине. Для исключения возможности пробоя в воздушном зазоре между поверхностями полупроводниковой пластины 6 и подложки 5 и с целью скрепления их друг с другом зазор между полупроводниковой пластиной и подложкой заполняется клеем или другим видом вязкого диэлектрика с диэлектрической постоянной, большей или равной диэлектрической постоянной подложки. Для разряда в заданном месте полупроводниковой пластины и получения генерации на диэлектрической подложке сделано отверстие заданной формы. Форма и размеры отверстия определяют число и расположение генерирующих лазерное излучение областей на полупроводниковой пластине. Принцип работы ЛМ в этом случае заключается в следующем. Наибольшая напряженность электрического поля возникает в воздушном промежутке отверстия диэлектрической подложки 5 между полупроводниковой пластиной 6 и краями отверстия в заземленном электроде 4. После достижения пробивного напряжения происходит закорачивание воздушного промежутка и, соответственно, все напряжение прикладывается к полупроводниковой пластине, что приводит в свою очередь к возникновению каналов разряда в полупроводниковой пластине по периметру отверстия и при превышении пороговой напряженности электрического поля - к генерации лазерного излучения. Меняя расстояние от плоскости заземленного экрана 4 до плоскости подложки 5, можно менять величину емкости С и соответственно параметры (интенсивность, мощность) излучения. На фиг. 2 показано свечение ЛМ на пороге генерации с отверстием круглой формы. Полупроводниковая пластина толщиной 0.5 мм изготовлена из селенида цинка. Подложка толщиной 2 мм изготовлена из оргстекла. Диаметр отверстия - 3 мм. Видно, что генерация лазерного излучения возникает на краях отверстий (наиболее яркие точки) в местах наибольшей напряженности электрического поля.The problem is solved as follows. In the PEL (Fig. 1), containing a high-voltage pulse generator (not shown in Fig. 1), a transmission line 1, a camera 2, an electrode 3 opposite the semiconductor wafer 5 of the laser target (LM) and an electrode 4 opposite the substrate 6. The LM consists of plane-parallel a semiconductor wafer 5 and a substrate 6 interconnected by a thin dielectric layer 7. The semiconductor wafer is made of a double or triple direct-gap semiconductor compound A2B6 (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, ZnSSe, ZnCdS, CdSSe) or A3B5 (GaAs, GaN, GaN, GaN, GaN GaAlAs, AlN, InN, etc.). The substrate 6 is made of a dielectric material with high dielectric strength and dielectric constant less than or equal to the dielectric constant of a semiconductor target (plexiglass, Teflon, etc.). On the substrate, in order to concentrate the electric field in a given place, one or more holes of a given configuration (slot, oval, circle, etc.) are made. The number, size and shape of the holes is determined by the need to obtain one or more sources of laser radiation. The parameters of the dielectric substrate (thickness, number and shape of the holes) are determined experimentally and depend on the task. The interlayer 7 is made of a dielectric material with a dielectric constant close to or equal to the dielectric constant of the substrate, and is necessary to eliminate air gap and fix the semiconductor wafer to the substrate. As the dielectric layer, for example, epoxy adhesive or transformer oil can be used. The parameters of the high-voltage pulse generator are selected from the following conditions: the pulse amplitude (A = 50-100 kV) exceeds the generation threshold, the pulse duration t i <d / v, where d is the semiconductor thickness, v is the discharge propagation velocity. Given v ~ 10 8 cm · s -1 , d = 0.5-1 mm, we have t i ~ (0.5-1) 10 -9 s; the front duration is selected from the condition t f ≤0.1 t i , i.e. should not exceed 100 pc. To achieve minimal distortion of the pulse shape, the camera 2 is made in the form of a segment of a coaxial line with a wave impedance R consistent with the transmission line 1. The electrode 3 is made in the form of a truncated cone. The distance from the apex of the cone 3 to the semiconductor wafer 6 is selected from the condition: L <Vp * t f , where L is the distance between the apex of the cone and the plane of the semiconductor wafer, V p is the discharge propagation velocity in the gap between the electrode 3 and the semiconductor wafer. Usually L <1 cm. The second movable grounded flat electrode 4 is located behind the LM. On the electrode 4, one or more holes are made coaxial with the holes in the dielectric substrate. To create a more uniform electric field, the hole on the grounded electrode can be tightened with a metal mesh. The gap between the electrode 4 and the substrate 5 can be changed from 0 to several centimeters, which leads to a change in the capacitance C between the surface of the semiconductor wafer and the grounded flat electrode. With an increase in the gap, the value of capacitance C and the electric field strength in the semiconductor wafer decrease, which leads to a decrease in the radiation power. To reduce the threshold for the onset of generation and increase the radiation efficiency, reflective dielectric coatings are applied on the plane of the semiconductor wafer or a microrelief is formed that acts as a selective mirror [Gurskii et al. Abstr. VI Inter. Conf. on II-VI Comp., Newport, USA, p. 112 (1993)]. The use of the electrode 4 in the form of a truncated cone, located at a distance L <V p * t f from the semiconductor wafer, eliminates the degradation of the semiconductor wafer, which occurs as a result of the occurrence of a shock wave in places of contact with the semiconductor wafer. When the electrode is made in the form of a truncated cone located at a distance L from the semiconductor wafer, a diffuse discharge occurs in the electrode-semiconductor wafer gap, which uniformly charges the multilayer capacitance C. The discharge along the surface of the semiconductor wafer is excluded by a dielectric substrate with high dielectric strength and a dielectric constant of approximately 4-5 times less than the dielectric constant of a semiconductor wafer. In this case, the electric field strength in the substrate will significantly exceed the field strength in the semiconductor wafer. To eliminate the possibility of breakdown in the air gap between the surfaces of the semiconductor wafer 6 and the substrate 5 and to fasten them together, the gap between the semiconductor wafer and the substrate is filled with glue or another type of viscous dielectric with a dielectric constant greater than or equal to the dielectric constant of the substrate. An aperture of a predetermined shape was made for a discharge at a given place in the semiconductor wafer and obtaining generation on a dielectric substrate. The shape and size of the hole determines the number and location of the laser-generating regions on the semiconductor wafer. The principle of operation of LM in this case is as follows. The greatest electric field strength occurs in the air gap of the hole of the dielectric substrate 5 between the semiconductor wafer 6 and the edges of the hole in the grounded electrode 4. After the breakdown voltage is reached, the air gap shortens and, accordingly, all the voltage is applied to the semiconductor wafer, which in turn leads to discharge channels in a semiconductor wafer around the perimeter of the hole and when the threshold electric field is exceeded - the generation of laser radiation. By changing the distance from the plane of the grounded shield 4 to the plane of the substrate 5, it is possible to change the value of the capacitance C and, accordingly, the radiation parameters (intensity, power). In FIG. Figure 2 shows the luminescence of the LM on the threshold of generation with a round hole. The 0.5 mm thick semiconductor wafer is made of zinc selenide. The 2 mm thick substrate is made of plexiglass. The diameter of the hole is 3 mm. It is seen that the generation of laser radiation occurs at the edges of the holes (the brightest points) in places of the greatest electric field strength.
