LASER ACTION AND PHOTODETECTION IN LEAD-TIN CHALCOGENIDES

Résumé
Par suite du croisement des niveaux L⁺₆ et L^-₆ qui a été proposé pour expliquer la variation de la bande interdite en fonction de la composition et de la température dans Pb_1-xSn_xTe et Pb_1-xSn_xSe, on peut obtenir des semiconducteurs de bande interdite arbitrairement petite en choisissant convenablement la composition de l'un ou l'autre de ces alliages. Comme on peut produire des cristaux d'excellente homogénéité et de bonne qualité, ou bien par la méthode de Bridgman, ou par la préparation en phase gazeuse, avec des recuits ultérieurs, ces alliages sont très utiles pour les sources et les détecteurs infrarouges. On a observé l'émission laser dans les deux systèmes d'alliages à 12 °K et 77 °K. Des diodes laser ayant des longueurs d'onde d'émission jusqu'à 28 µ à 12 °K et 15 µ à 77 °K ont été préparées en utilisant Pb_1-xSn_xTe où x va jusqu'à 0,27. On a mesuré les propriétés des lasers pour de nombreuses compositions dans l'intervalle 0,15 ≤ x ≤ 0,27. Il a été possible d'obtenir une puissance crête de sortie d'environ 0,1 watt à 13 µ, de lasers à 12 °K. Les mesures du déplacement sous champ magnétique de la longueur d'onde du laser pour un champ orienté selon [100] donnent une masse effective de 0,010 et un facteur g de 75 pour Pb_0.83Sn_0.17Te à 12 °K. A l'heure actuelle, les détecteurs photovoltaïques ont des limites de 20 µ à 77 °K et 30 µ à 12 °K du côté des grandes longueurs d'onde. Les rendements quantiques externes sont proches de 0,5, qui est la limite imposée par la réflectivité, et les détectivités à 77 °K vont de 10⁹ à 10¹⁰ cm/Ws^½ pour des diodes dont le front de détection est dans la fenêtre atmosphérique de 8 à 14 µ. Les temps de réponse sont de l'ordre de 10^-8 s. On a étudié la photoconductivité dans des cristaux de Pb_1-xSn_xTe obtenus par la méthode de Bridgman et recuits. La concentration de porteurs est comprise entre 2 × 10¹⁵ et 8 × 10¹⁵ cm^-3 et les mobilités sont de l'ordre de 3 × 10⁴ cm² V^-1 s^-1 à 77 °K. Dans les échantillons réduits par attaque chimique jusqu'à une épaisseur de 20 à 50 µ, les détectivités à 77 °K vont de 10⁸ à 10⁹ cm/W s^½ à des longueurs d'onde jusqu'à 15 µ. Des durées de vie d'environ 10^-8 s à 77 °K et 10^-6 s et 4,2 °K ont été mesurées par observation directe de la décroissance de la photoconductivité.

Abstract
Due to the crossover of the L⁺₆ and L⁺₆ states which has been proposed to explain the variation of the energy gap with composition and with temperature in Pb_1-xSn_xTe and Pb_1-xSn_xSe, semiconductors with an arbitrarily small energy gap can be obtained by suitably choosing the composition of either alloy. Since crystals with excellent homogeneity and good quality can be produced by either Bridgman- or vapor-growing and subsequent annealing, these alloys are very useful for longwavelength infrared sources as well as detectors. Laser emission has been observed in both alloy systems at 12 °K and 77 °K. Diode lasers with emission wavelengths as long as 28 µ at 12 °K and 15 µ at 77 °K have been fabricated using Pb_1-xSn_xTe with x up to 0.27. Laser properties have been measured for a number of compositions in the range 0.15 ≤ x ≤ 0.27. A peak output power of about 0.1 watt has been obtained at 13 µ from diode lasers at 12 °K. Measurements of the magnetic shift of the laser wavelength for a (100) oriented magnetic field give an effective mass of 0.010 and a g-factor of 75 for Pb_0.83Sn_0.17Te at 12 °K. Photovoltaic detectors at present have long wavelength limits of 20 µ at 77 °K and 30 µ at 12 °K. External quantum efficiencies are close to the reflection-limited maximum of 0.5 and detectivities at 77 °K range from 10⁹ to 10¹⁰cm/Ws^½ for diodes with cutoff wavelengths in the 8 to 14 µ atmospheric window. Response speeds are of the order of 10^-8 s. Photoconductivity has been studied in Bridgman-grown and subsequently annealed Pb_1-xSn_xTe crystals with carrier concentrations between 2 × 10¹⁵ and 8 × 10¹⁵ cm^-3 and mobilities of about 3 x 10⁴ cm²/Vs at 77 °K. In samples etched down to a thickness of 20 to 50 µ detectivities at 77 °K range from 10⁸ to 10⁹ cm/Ws^½ at wavelengths up to 15 µ. Lifetimes of approximately 10^-8 s at 77 °K and 10^-6 s at 4.2 °K have been measured by direct observation of the photoconductivity decay.