Рентгеноструктурный анализ позволяет определить рассогласование параметров решетки эпитаксиального слоя и подложки, на которой произведен рост полупроводникового материала.
Рис. 43 Дислокации несоответствия возникающие в результате несоответствия параметров решетки а и а0.
Для этого применяется рентгеновский диффрактометр. Этот прибор позволяет направить на полупроводниковый слой коллимированный пучек рентгеновских лучей под некоторым углом. После проникновения в полупроводник луч отражается от кристаллической решетки. Согласно условию Вульфа-Брегга рентгеновские лучи под некоторым углом отражаются в фазе (синфазны), что обеспечивает условие рентгеновской дифракции и возрастания интенсивности отраженного рентгеновского излучения:
2a sinΘ = mλ (37)
Где m – порядок рентгеновской дифракции, λ – длина волны рентгеновского излучения.
Рис. 44. Схематическое изображение падения рентгеновского излучения на кристалл(а) и рентгеновского дифрактометра(б).
Углы при которых наблюдается рентгеновская дифракция называются брегговскими углами. По ним определяется межплоскостное расстояние в кристалле и его совершенство. В нашем случае, когда на кристаллической подложке есть тонкий эпитаксиальный слой, можно одновременно наблюдать рентгеновскую дифракцию от кристалла и эпитаксиального слоя. По разнице положения максимумов отражения подложки и слоя можно определить рассогласование параметров решетки.
Рис. 45 Зависимость интенсивности отраженного рентгеновского излучения подложки и слоя.
Лекция № 5. Принцип действия полупроводникового лазера. Лазерный эффект в полупроводниках.
5.1. Первое условие: создание инверсной заселенности в активной среде.
Усилитель излучения возможен при избытке излучательных переходов в активной среде. → Избыток излучательных переходов возможен при избытке носителей заряда в зоне проводимости. →Условие избытка носителей заряда в зоне проводимости:
qB (fc (1-fv) – fv (1-fc) ) > 0 (38)
q – заряд, В – константа излучательной рекомбинации, fc – вероятность заселенности энергетического уровня с, fv – вероятность заселенности уровня v.
Если fc > f v, то условие инверсной заселенности достигнуто и для полупроводникового материала это условие принимает вид:
Fc – Fv > Ec - Ev > Eg (39)
F c – уровень ферми в зоне проводимости для электронов, Fv – уровень ферми в зоне валентной для дырок, E c – энергетический уровень дна зоны проводимости, E v – энергетический уровень потолка валентной зоны, Eg – ширина запрещенной зоны.
Концентрация инжектированных носителей заряда должна обеспечивать проникновение уровня Ферми в зону проводимости и валентную зону полупроводникового материала (выполнение условия вырождения полупроводникового материала).
Рис. 46. Примеры выполнения условия создания инверсной заселенности в полупроводниковом материале.
5.2.Второе условие: создание волновода в активной среде полупроводникового лазера.
В гомолазере за счет температурного градиента и градиента концентрации носителей заряда вдоль n-р перехода.
В гетеролазере за счет скачка показателя преломления полупроводниковых материалов широкозонного и узкозонного.
Волновод обеспечивает направленное распространение фотонов спонтанного излучения в активной среде, а после выполнения пороговых условий удерживает моды стимулированного (вынужденного) излучения.
5.3. Третье условие: Обратная связь для создания усилителя в активной среде. Резонатор Фабри-Перо. Образуется скалыванием полупроводникового кристалла по плоскости спаенности кристаллической решетки. На сколах кристалла (гранях резонатора Фабр-Перо) образуются зеркала R1 и R2 – коэффициент отражения зеркал резонатора.
5.4. Четвертое условие: Усиление (g) должно скомпенсировать все оптические потери внутренние и внешние:
g= αi+ 1/2L lg 1/ R1 R2 (40)
αi – внутренние оптические потери, L – длина резонатора Фабри – Перо, R1 и R2 – коэффициент отражения зеркал резонатора Фабри Перо.
Рис. 47 Иллюстрирует поглощение излучения (фотона) распространяющегося в полупроводнике(а); иллюстрирует излучательную рекомбинацию (б). В обоих случаях hν ≈ > Eg
· В первую очередь должны быть скомпенсированы потери на поглощение в самом полупроводниковом материале и наступило просветление полупроводникового материала. Которое характеризуется отсутствием возможности поглощения фотонов при распространении по волноводу активной среды.
Рис.49. иллюстрирует эту ситуацию стимулированные фотоны просветлили материал поглощаясь в нем, но их настолько много, что они могут распространяться дальше без поглощения, что приводит к усилению-рождению стимулированных фотонов.
· Во вторую очередь должны быть скомпенсированы все внутренние оптические потери αi потери на рассеяние на неоднородностях материала (кристаллических), на неоднородностях гетерограниц полупроводниковых слоев и на свободных носителях заряда.
