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

Московский государственный университет информационных технологий,радиотехники и электроникиНа правах рукописиЖданова Елена ВладимировнаИЗЛУЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХНАНОГЕТЕРОСТРУКТУР С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ.Специальность: 05.27.01 - «Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»ДИССЕРТАЦИЯна соискание учѐной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорМ.М. ЗверевМосква – 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 14ГЛАВА 2.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ................................................................... 252.1 Модель расчѐта пространственного распределения неравновесныхносителей в многослойных структурах .................................................................. 252.2 Расчѐт распределения электромагнитного поля в волноводе и пороговыххарактеристик лазера ................................................................................................

29ГЛАВА 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХМАТЕРИАЛАХ ............................................................................................................. 343.1 Распределение потерь энергии электронами накачки в полупроводниковыхматериалах ................................................................................................................. 34ГЛАВА 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНТЕНСИВНОСТИКАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ОТ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУР И ЭНЕРГИИЭЛЕКТРОНОВ НАКАЧКИ .......................................................................................... 414.1 Описание методики эксперимента .................................................................... 414.2 Моделирование катодолюминесценции, сравнение результатов расчѐтов сэкспериментом ...........................................................................................................

43ГЛАВА 5. РАСЧЁТ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯКОНЦЕНТРАЦИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ВПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ПРИ НАКАЧКЕЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ........................................................................................ 515.1 Описание исследуемых полупроводниковых структур .................................. 515.2 Характеристики полупроводниковых ZnSe- содержащих структур ............. 535.3 Результаты расчѐтов пространственного распределения концентрациинеравновесных носителей заряда в ZnSe- содержащих структурах ....................

573ГЛАВА 6. ЗАВИСИМОСТЬ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКМНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР РАЗНЫХ ТИПОВ ОТ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНОВНАКАЧКИ И КАЧЕСТВА ГРАНИЦ СЛОЁВ............................................................ 606.1 Эффективность сбора носителей в активной области ....................................

616.2 Зависимость пороговой плотности тока и пороговой мощности накачки длялазеров на основе ZnSe- содержащих структур различных типов от энергииэлектронного пучка ................................................................................................... 686.3 Сравнение результатов расчѐтов и эксперимента ...........................................

78ГЛАВА 7. ЗАВИСИМОСТЬ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРРАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОТ ИХ ПАРАМЕТРОВ ........................................................ 867.1 Зависимость излучательных характеристик структур от положенияквантовой ямы в пределах волновода ..................................................................... 867.2 Зависимость излучательных характеристик структур от размеровволновода ................................................................................................................... 907.3 Зависимость излучательных характеристик структур от ширины внешнегоограничивающего волновод слоя ............................................................................

967.4 Зависимость излучательных характеристик структур от ширинывнутреннего ограничивающего волновод слоя ...................................................... 997.5 Расчѐты характеристик полупроводниковых структур с множественнымиквантовыми ямами .................................................................................................. 101ГЛАВА 8. РАСЧЁТЫ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХСТРУКТУР ДЛЯ УФ- И ИК-ДИАПАЗОНОВ ......................................................... 1148.1 Расчѐты характеристик полупроводниковых структур для УФ-диапазона 1148.2 Расчѐты характеристик полупроводниковых структур для ИК-диапазона 125ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 129СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................

1314ВВЕДЕНИЕДиссертация посвящена изучению характеристик квантоворазмерныхгетероструктур с накачкой электронным пучком и направлена на решениеактуальной научной задачи – оптимизации конструкции таких структур с цельюповышения эффективности их работы и снижения пороговой плотности тока ирабочей энергии электронного пучка лазеров на основе таких структур.Актуальность темы и степень её разработанности.Полупроводниковые излучатели с электронной накачкой [1, 2] обладаютрядом характеристик, отличающих их от других источников излучения. Вопервых, использование электронного пучка для накачки полупроводниковыхизлучателей позволяет управлять параметрами излучения путѐм управленияэлектронным лучом.

Это делает возможным изготовление источников, в которыхвозможна широкополосная амплитудная модуляция излучения, могут быть такжереализованы необычные для излучателей других типов режимы работы например, режим одномерного или двумерного сканирования диаграммойнаправленности излучения, работа на нескольких длинах волн и т.д. Условияинверсной населѐнности в активной среде можно создать в полупроводнике слюбой шириной запрещѐнной зоны. Это позволяет получить лазерное излучениелюбой заранее заданной длины волны практически во всѐм спектральномдиапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового.При использованииэлектронно-лучевой накачки не требуется наличие p-n перехода и омическихконтактов, что значительно снижает технологические трудности изготовленияактивных элементов - появляются возможности создания излучателей в техспектральных областях, для которых создание материала р-типа проводимостизатруднено.

Использование электронного пучка особенно перспективно приразработке излучателей на основе структур GaN/AlGaN в дальней УФ-областиспектра, в которой создание материалов р-типа проводимости является весьмапроблематичным.5Кроме того, так как возбуждение электронным пучком является объемным,существенноизменяютсятребованияктранспортировкенеравновесныхносителей в активную зону. В связи с этим использование электронного пучкапозволяет накачать значительно больший, по сравнению с инжекционнымиисточниками(светодиодамиилазерами),объемактивнойсредыи,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 набольшом экране, в медицине и т.д.

[3]. Тем не менее, системы с использованиемполупроводниковых излучателей с накачкой электронным пучком широкогораспространения не получили. Главными причинами этого являются высокиезначения пороговой плотности мощности и плотности тока электронного пучка,высокие напряжения (десятки и сотни киловольт) и криогенное охлаждение,нередко используемое при работе приборов. К примеру, в импульсных лазерах наоснове монокристаллов максимальные уровни мощности получены при энергияхэлектронного пучка 250-350 кэВ [1, 4].

В проекционных системах отображенияинформацииобычноиспользуютсяпучкисэнергией30-70 кэВ[5].Использование высоких напряжений неизбежно приводит к увеличению размеровустройства и усложнению его конструкции.Уменьшить рабочую энергию электронного пучка и пороговую плотностьтока, а также повысить рабочую температуру активного элемента лазера докомнатнойможно,используяполупроводниковыеструктурыширокоиспользуютсяприструктуры.изготовлениилазерныхПодобныедиодов.Использование многослойных гетероструктур в инжекционных лазерах позволилорешить задачу эффективной локализации неравновесных носителей заряда иэлектромагнитного поля в активном слое [6-8]. Однако, непосредственноеприменение в излучателях с поперечной накачкой электронным пучком6результатов, полученных при разработке инжекционных источников излучения наоснове гетероструктур, невозможно из-за различного по своей физическойприроде механизма возбуждения, различного строения активных элементов(гетероструктур) и конструкций резонатора.В литературе отмечается перспективность использования электронногопучка для накачки лазеров на основе квантоворазмерных структур.