Автореферат (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком)

На правах рукописиЖДАНОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНАИЗЛУЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХНАНОГЕТЕРОСТРУКТУР С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учѐной степеникандидата физико-математических наукАвтор:_____________Москва 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования«Московский государственный университет информационных технологий,радиотехники и электроники» (МИРЭА)Научный руководитель:Зверев Михаил Митрофанович, докторфизико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:Глова Александр Федорович, докторфизико-математических наук, профессор,начальник лаборатории, Акционерноеобщество «ГНЦ РФ ТРИНИТИ».Кротов Юрий Александрович, кандидатфизико-математических наук, доцент,ученый секретарь, Акционерное общество«НИИ «Полюс» им.

М.Ф. Стельмаха».Ведущая организацияАкционерное общество «НИИ «Платан» сзаводом при НИИ», г. ФрязиноЗащитасостоится8 декабря2015 годав17-30назаседаниидиссертационного совета Д212.131.02, созданного на базе федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования «Московский государственный университет информационныхтехнологий, радиотехники и электроники» по адресу: 119454 Москва,пр. Вернадского, д.78.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальномсайте МИРЭА http://www.mirea.ru/Автореферат разослан «___» _________ 2015г.Учѐный секретарь диссертационногосовета Д212.131.02, к.ф.-м.н., доцентЮрасов А.Н.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы и степень её разработанности.Полупроводниковые излучатели с электронной накачкой обладают рядомхарактеристик, отличающих их от других источников излучения.

Использованиеэлектронного пучка для накачки полупроводниковых излучателей позволяетуправлять параметрами излучения путѐм управления электронным лучом. Этоделает возможным изготовление источников, в которых возможна широкополоснаяамплитудная модуляция излучения, могут быть также реализованы необычные дляизлучателей других типов режимы работы - например, режим одномерного илидвумерного сканирования диаграммой направленности излучения, работа на однойили нескольких длинах волн в спектральном диапазоне от инфракрасного доультрафиолетового. Возможна синхронизация световых импульсов и импульсовзапуска с субнаносекундной точностью. При использовании электронно-лучевойнакачки не требуется наличие p-n перехода и омических контактов, что значительноснижаеттехнологическиетрудностиизготовленияактивныхэлементовипоявляются возможности создания излучателей в тех спектральных областях, длякоторых создание p-n-перехода затруднено.

Использование электронного пучкаособенно перспективно при разработке излучателей на основе структур GaN/AlGaNв дальней УФ-области спектра, в которой создание материалов р-типа проводимостиявляется весьма проблематичным.Кроме того, так как возбуждение электронным пучком является объемным,существенно изменяются требования к транспортировке неравновесных носителей вактивную зону излучателя. В связи с этим использование электронного пучкапозволяет накачать значительно больший, по сравнению с инжекционнымиисточниками (светодиодами и лазерами), объем активной среды и, соответственно,получить больший уровень выходной мощности.Продемонстрированывозможностипримененийполупроводниковыхизлучателей на монокристаллах с накачкой электронным пучком для скоростнойинтерферометрии и фотографии, в системах посадки самолетов и проводки судов,для проекционного отображения информации с высоким разрешением на большом3экране,вмедицинеит.д.Темнеменее,системысиспользованиемполупроводниковых излучателей с накачкой электронным пучком широкогораспространения не получили.

Главными причинами этого является высокиезначения пороговой плотности тока электронного пучка и высокие напряжения(десятки и сотни киловольт). К примеру, в импульсных лазерах на основемонокристалловэлектронногомаксимальныепучкауровни250-350 кэВ.Вмощностиполученыпроекционныхприсистемахэнергияхотображенияинформации на основе таких лазеров обычно используются пучки с энергией 3050 кэВ, Использование высоких напряжений неизбежно приводит к увеличениюразмеров устройства и усложнению его конструкции.Уменьшить рабочую энергию электронного пучка и пороговую плотностьтока, а также повысить рабочую температуру активного элемента излучателя докомнатной можно, используя полупроводниковые гетероструктуры. Подобныеструктурыширокоиспользуютсяприизготовлениилазерныхдиодов.Использование многослойных гетероструктур в инжекционных лазерах позволилорешить задачу эффективной локализации неравновесных носителей заряда иэлектромагнитного поля в активном слое.

Однако, непосредственное применение визлучателях с накачкой электронным пучком результатов, полученных приразработке инжекционных источников излучения на основе гетероструктур,невозможноиз-заразличногопосвоейфизическойприродемеханизмавозбуждения, различного строения активных элементов (гетероструктур) иконструкций резонатора. В литературе отмечается перспективность использованияэлектронного пучка для накачки лазеров на основе квантоворазмерных структур.Показано, что использование таких структур с поперечной накачкой приводит кснижению порога генерации и увеличению эффективности полупроводниковыхизлучателей.Однаковозможностиуменьшениярабочейэнергииэлектроновдляизлучателей с электронной накачкой, а также оптимальные конструкции структур наоснове различных полупроводниковых материалов ранее не исследовались.Ряд параметров квантово-размерных наногетероструктур, таких, как толщины,последовательность расположения слоев, количество активных областей и их вид,4строениеволноводанеоднозначновлияютнарабочиехарактеристикиполупроводниковых излучателей на их основе.Диссертацияпосвященаизучениюхарактеристикквантоворазмерныхгетероструктур с поперечной накачкой электронным пучком и направлена нарешение актуальной научной задачи – оптимизацию конструкции таких структур сцелью повышения эффективности работы излучателей и снижения пороговойплотности тока и рабочей энергии электронного пучка – источника накачки лазеровна основе таких структур.Цель работыЦелью данной диссертационной работы являлась оптимизация параметровквантоворазмерных гетероструктур, направленная на улучшение их излучательныххарактеристик при электронно-лучевой накачке, а также исследование путейснижения рабочей энергии электронного пучка и пороговой плотности токаизлучателей на основе исследуемых структур.Задачи работы-проведение расчетов пространственного распределения концентрации носителейв структурах различных типов при различных значениях энергии электронов –источников накачки;-исследование зависимости пороговой плотности тока от рабочей энергииэлектронов для лазеров различных спектральных диапазонов с поперечнойнакачкойэлектроннымпучкомнаосновеквантоворазмерныхполупроводниковых структур;-выработка рекомендаций по оптимизации конструкций ZnSe-содержащихгетероструктур для полупроводниковых лазеров сине-зелѐного диапазона споперечной накачкой электронным пучком, позволяющих работать при низкихускоряющих напряжениях;-экспериментальная демонстрация возможности уменьшения рабочей энергииэлектронного пучка – источника накачки лазеров на основе ZnSe-содержащихгетероструктур;5-оптимизация конструкций многослойных ZnSe-содержащих гетероструктур дляполупроводниковых излучателей с поперечной накачкой электронным пучком,позволяющих получать высокие выходные мощности излучения;-проведение расчѐтов конструкций структур на основеAlGaAs/InGaAs дляизлучателей ИК-диапазона;-экспериментальная демонстрация возможности уменьшения рабочей энергииэлектронного пучка – источника накачки лазеров ИК-диапазона;-проведение расчѐтов конструкций структур AlGaN для УФ излучателей,позволяющих уменьшить рабочую энергию электронного пучка.Научная новизна работыПри выполнении работы впервые получены следующие результаты:-проведены расчеты пространственного распределения концентрации носителей вZnSe-содержащих квантоворазмерных структурах при различных значенияхэнергии электронов накачки;-предложена модель расчета пороговой плотности тока полупроводниковыхлазеровспоперечнойпространственноенакачкойраспределениеэлектроннымэнергиинакачки,пучком,дрейфучитывающаяидиффузиюнеравновесных носителей в структуре, а также пространственное распределениеэлектромагнитного поля поперечных типов колебаний в лазерном резонаторе;-проведены расчеты пороговых плотности тока и мощности накачки лазеров взависимости от энергии электронов и параметров структур, что позволилосформулировать требования к оптимальной конструкции гетероструктур длянизкопороговых и мощных излучателей с электронно – лучевой накачкой(состав, толщины слоев и т.д.);-на основе оптимизированных полупроводниковых структур получена генерациялазеров в зеленой и ИК областях спектра при рекордно низких значениях энергииэлектронов накачки (менее 4 кэВ при температуре Т=300 К) и намечены путидальнейшего уменьшения энергии электронов.6Теоретическая и практическая значимость работыПредложенная модель расчета пороговой плотности тока полупроводниковыхлазеровспоперечнойпространственноенакачкойраспределениеэлектроннымэнергиипучкомнакачки,учитывающаядрейфикакдиффузиюнеравновесных носителей в структуре, так и распределение электромагнитного поляпоперечных типов колебаний в лазерном резонаторе, может быть использована дляоптимизации активных элементов лазеров на основе различных полупроводниковыхструктур.Полученныевданнойработерезультатыипродемонстрированнаявозможность значительного (до значений менее 4 кэВ) уменьшения рабочей энергииэлектронного пучка за счет использования оптимизированных квантоворазмерныхгетероструктур позволяют осуществить разработку малогабаритных отпаянныхприборов – излучателей с электронно-лучевой накачкой, которые могут найтиприменение в медицине и различных областях техники для диагностикибыстропротекающих процессов, для систем посадки летательных аппаратов ипроводки судов, для систем наблюдений в условиях плохой видимости, оптическойлокации и т.д.Полученные в работе научные результаты использовались при проведенииисследований в рамках отечественных и международных грантов, хоздоговоров,целевых программ Минобрнауки в 2007-2015 г.

в МИРЭА.Основные положения, выносимые на защиту-Результаты расчетов пространственного распределения концентрации носителейвZnSe-содержащихквантоворазмерныхструктурах,вструктурахGaAlAs/InGaAs/GaAs, в структурах GaN/InGaN/AlGaN при различных значенияхэнергии электронов накачки;-результаты расчетов зависимости интенсивности катодолюминесценции ZnSeсодержащих структур от энергии электронов накачки и их сравнение сэкспериментальными данными;-методика и результаты расчетов зависимости пороговой плотности токаэлектронного пучка от энергии электронов накачки для источников света на7основеквантоворазмерныхполупроводниковыхструктур,позволяющихполучать излучение в ИК-, сине-зелѐном и УФ- диапазонах спектра;-результаты расчетов зависимости пороговой плотности тока электронного пучка–источниканакачкилазеровотпараметровквантоворазмерныхполупроводниковых структур;-экспериментальное достижение режима генерации лазеров на основе ZnSeсодержащихквантоворазмерныхструктур,атакжеструктурGaAlAs/InGaAs/GaAs при рекордно низких (менее 4 кэВ) значениях энергииэлектронов накачки при температуре Т=300 К;-рекомендации по дальнейшему снижению рабочей энергии электронов накачки влазерах на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур.Достоверность научных положений, результатов и выводовСогласиеполученныхрезультатоврасчѐтовинтенсивностикатодолюминесценции, зависимостей порогов генерации излучателей от энергииэлектронов с результатами эксперимента, а также соответствие полученныхзависимостей порогов генерации от параметров полупроводниковых структур симеющимися в литературе данными по лазерам с оптической накачкой нааналогичныхструктурахсвидетельствуютонаучнойобоснованностиидостоверности выводов диссертации.Личный вклад соискателяАвтор принимала участие в разработке и отладке программ, используемых длярасчѐтовраспределенийконцентрацийнеравновесныхносителейзаряда,распределения поля в резонаторе, зависимостей пороговой плотности тока отэнергии электронов.