CC BY
14
УДК 537.5:535.376
ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ CdxZni_xS ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИШЕНИ ГАЗОВОГО ДИОДА
A.C. Насибов, Г. JI. Данислян, В. Г. Ваграмов, К. В. Бережной,
П. В. Шапкин
В работе приведены результаты экспериментов по исследованию излучения полупроводниковых CdxZn1-xS мишеней (ПМ) газового диода (ГД), при изменении давления от 10-1 mopp до атмосферного. На катод ГД подавались импульсы амплитудой до 200 кВ и длительностью 0.5-1 не. До давления 2.5 mopp в ПМ под действием пучка ускоренных убегающих электронов возникало лазерное излучение (509 нм,). При атмосферном, давлении генерация, в ПМ наблюдалась в ка,нала,х разряда при движении стримера, от одной поверхности ПМ к противоположной. В этом, случае при увеличении напряженности электрического поля, излучение последовательно возникало на трех спектральных линиях 509, 480 и 469 нм,. Рассмотрены возможные причины наблюдаемых явлений.
Ключевые слова: газовый диод, полупроводники, наносекундный разряд, лазерная генерация.
Газовый диод (ГД) представляет собой отрезок коаксиальной камеры с электродами. Камера согласована с высоковольтным генератором (< 250 кВ) ультракоротких
импульсов (0.3 _ 1) • 10-9 с, под действием которых происходит пробой промежутка.
В процессе разряда в ГД возникает ряд физических явлений, представляющих как научный. так и практический интерес. К ним относятся возникновение рентгеновского, оптического и сильного электромагнитного излучения в UWB диапазоне (1010_1011 Гц). Кроме того, в широком диапазоне давлений от форвакуума до атмосферного наблюдается пучок ускоренных электронов. Нами исследуется возможность применения ГД
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Россия 119991, Москва, Ленинский пр. 53.
для формирования ультракоротких импульсов (10_10 — 10“11 с) лазерного излучения, возникающего под действием перечисленных факторов в полупроводниковой митттени (ПМ), расположенной между электродами ГД, [1 6].
Устройство ГД с ПМ приведено на рис. 1. Передающая линия 1 согласована с волновым сопротивлением камеры 2. Катодный электрод 3 выполнен из графита, стальной анодный электрод 4 может перемещаться относительно подложки 5 на расстояние до
1 см. Конструкция ГД предусматривает возможность изменения давления газа в камере
2 от 10_2 торр до атмосферного. Подробное описание устройства приведено в работах [1 4]. Применялись два типа ПМ1 и ПМ2. изготовленных из тройного прямозонного полупроводникового соединения Сс^п 1_ЖБ, выращенного методом пересублимации из газовой фазы [7]. ПМ1 (на рис. 1 не показана) состоит из тонкой (15 30 мкм) моно-кристаллической пластины, на плоскости которой нанесены отражающие покрытия, образующие оптический резонатор. Пластина эпоксидным клеем закреплена на сапфировой подложке. ПМ1 устанавливалась в ГД после стального анода 4 с диаметром отверстия 1 мм и диафрагмы, закрытой фольгой. ПМ2 состоит из плоскопараллельной полупроводниковой пластины 6 толщиной 1 мм. закрепленной на подложке 5 из органического стекла с помощью тонкой прослойки 7 из эпоксидного клея. В центре подложки 5, с целью усиления напряженности электрического поля, имеется отверстие диаметром 1 3 мм [4]. На электрод 3 подавались импульсы амплитудой до 200 кВ и длительностью 0.5 1 не. Исследования проводились в диапазоне давлений в камере
0.1-2 торр и 740-760 торр (атмосферное). Полный ток через диод 10 = 1е + 1д, оде 1е - ток электронной эмиссии, 1д - ток газового разряда. При р = 0.1 — 1 торр максимальная плотность тока 1е на ПМ достигала 1 кАсм“2. В случае р = 760 торр 1е << 1д. Таким образом, в первом случае основное воздействие на ПМ определялось током электронного пучка, а во втором газовым разрядом. Напряжение и ток электронного пучка измерялись широкополосными датчиками, установленными в передающей линии 1 и на выходе ГД [2]. Форма светового импульса фиксировалась широкополосным фотоприемником ФП-70Б с волоконно-оптическим входом и переходной характеристикой ~100 пс. Спектральные характеристики регистрировались мини спектрометром Г8Б-8 с разрешением ~1 нм. Энергия излучения измерялась прибором ^БЮ.. с минимальной чувствительностью 10_12 Дж. Для регистрации спектральных характеристик и мощности излучения применялась специально разработанная волоконно-оптическая система
р = 0. 1
при плотности тока электронного пучка ]е ~ 100 Асм_2 и Ее = 105 кэВ. Максималь-
ная мощность излучения достигала 2 кВт при длительности импульса по полуширине 1Р = 250 пс (рис. 2(а)). Полуширина спектра излучения ПМ1 при переходе в режим лазерного излучения уменьшалась от 20 до 2 нм (рис. 3(а, б)). С увеличением давления длительность и амплитуда импульса излучения ПМ1 уменьшались (рис. 2(а, б)) и при р = 2.5 торр генерация лазерного излучения прекращалась. В этом случае ПМ1 заменялась на ПМ2 (рис. 1) и эксперимент проводился при атмосферном давлении (р = 740 — 760 торр). При уменьшении расстояния между ПМ2 и анодом в местах наибольшей напряженности электрического поля по периметру отверстия в диэлектрической подложке 5 в полупроводниковой пластине 6 возникала генерация лазерного излучения. Число генерирующих точек и энергия излучения возрастали с уменьшением расстояния катод-анод, что наблюдалось и ранее [6]. Минимальный диаметр точки на пороге генерации равнялся ~10 мкм. С увеличением напряженности электрического поля число излучающих точек увеличивалось, и они образовывали генерирующие области диаметром 100-200 мкм. Энергия излучения одной точки, измеренная с помощью прибора ЛЗЭЮ и волоконно-оптической системы, специально разработанной для этой цели [5], составляла 1-3 нДж. Впервые (рис. 3(в)) на ПМ2 из тройного соединения Сс1^п 1_ЖЭ при увеличении напряженности электрического поля наблюдался эффект последовательной генерации на трех длинах волн (Л = 469,480, 509 нм).
/ / / 6 7 5
Рис. 1: 1 - передающая линия, 2 - камера ГД) 3, 4 ~ катодный и анодный электроды, 5 - диэлектрическая подложка, 6 - полупроводниковая пластина из Сс1^п1-Х3, 1 -диэлектрическая прослойка.
Предварительный анализ результатов показал:
1. В плазме ГД с ПМ в широком диапазоне давлений (в нашем случае 10-1 — 750 торр) одновременно существуют ток ускоренных убегающих электронов 1е (УЭ) и ток газового разряда 1д, что соответствует представлениям о наносекундных газовых разрядах [8-10].
Рис. 2: Форма импульса света в режиме лазерного излучения ПМ1 при давлении воздуха в ГД 0.^ 2 mopp.
Рис. 3: Спектр люминесценции (а) и спектр генерации (б) ПМ1, p =1 mopp. Спектр генерации (в) ПМ2 при атмосферном давлении.
2. При давлениях р = (10_1 — 2.5) торр (ПМ1) генерация (509 нм) возникала под действием тока /е. При превышении порогового значения тока /^ьг наблюдалось резкое сужение спектра и увеличение мощности излучения (рис. 2(а, б)).
3. При давлениях p > 2.5 торр в результате уменьшения длительности и амплитуды Ie генерация лазерного излучения ПМ1 прекращалась.
4. Последовательную генерацию лазерного излучения ПМ2 на трех спектральных линиях 509, 480 и 469 нм можно объяснить следующим образом. После пробоя промежутка катод-ПМ2 происходит быстрый (~ 3 • 10-10 с) заряд емкости, образованной полупроводниковой пластиной, с последующим образованием стримерного разряда, распространяющегося со скоростью 5 • 108 — 109 см^с-1 от одной плоскости пластины к другой. В этом случае в головке стримера возникают условия для генерации лазерного излучения [11]. Излучение на трех длинах волн соответствует изменению состава полупроводниковой пластины CcbZn 1—ES в пределах значения x = 0.7 — 1 [12] и может быть объяснено неоднородностью твердого раствора полупроводниковой пластины. Заметим, что в случае возбуждения только электронным пучком генерация лазерного излучения наблюдалась только на линии 509 нм (рис. 3(6)).
Проведенные исследования показали, что наибольшее влияние УЭ на генерацию ПМ оказывают в диапазоне давлений до 2-2.5 Торр. При дальнейшем повышении давления вплоть до атмосферного основной механизм генерации связан с пробоем газового промежутка и быстрым зарядом ПМ с последующим образованием стримерного пробоя. Роль УЭ в этом случае может сводиться к предьтонизации области ПМ. в которой затем развивается стримерньтй разряд.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ X 09-08-00371-а и X 10-08-01219-а.
Авторы благодарны сотрудникам Института электрофизики УрО РАН С. Шунай-лову и А. Реутовой за существенную помощь при проведении экспериментов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Г. А. Месяц, А. С. Насибов, В. Г. Шпак и др., ЖЭТФ 133(6), 1162 (2008).
[2] А. С. Насибов, К. В. Бережной, А. Г. Реутова и др., ПТЭ X 1, 75 (2009).
[3] К. В. Бережной, М. Б. Бочкарев, А. С. Насибов и др., ПТЭ X 2, 124 (2010).
[4] К. В. Бережной, А. С. Насибов, А. Г. Реутова и др.. Патент на изобретение
X 2393602 (2010).
[5] А. С. Насибов, К. В. Бережной, М. Б. Бочкарев и др., в: Сборник трудов конференции “Лазеры. Измерения. Информация 2010”, Санкт-Петербург (СПбПУ, 2010), т. 1, с. 3.
[6] К. В. Бережной, А. С. Насибов, П. В. Шапкин и др.. Квантовая электроника 38(9), 829 (2008).
[7] К). В. Карстелин, В. Г. Тихонов, П. В. Шапкин, Труды ФИАН 221, 345 (1996).
[8] Г. А. Месяц, С. Д. Коровин, К. А. Шарыпов и др.. Письма в ЖТФ 32(1), 36
(2006).
[9] Е. X. Бактпт, М. И. Ломаев, Д. В. Рыбка и др.. ЖТФ 78(12). 29 (2008).
[10] Л. П. Бабич. Т. В. Лойко. В. А. Цукерман, УФН 160(7), 50 (1990).
[11] Н. Г. Басов, А. Г. Молчанов, А. С. Насибов и др., ЖЭТФ 70(5), 1751 (1976).
[12] Н. Н. Верченко, В. Е. Кревс, В. Г. Средин, Полупроводниковые твердые растворы
и их применение (М., Воениздат, 1982), с. 62.
Поступила в редакцию 14 октября 2010 г.
