Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 10

С ростом коэффициента поверхностнойрекомбинации до s0-1= 104 м/с на внешней границе структуры, до s1-3= 103 м/с награницах волновода эффективность сбора практически не зависит от строения65активнойобласти(Рисунок 20а, б, в).иволноводаЭтосвязаноипочтинеизменяетсястем,чтовнешнийповеличинеширокозонныйограничивающий слой ZnMgSSe препятствует диффузии носителей к внешнейповерхности структуры.Наиболеесильносказываетсянаэффективностисбораносителейбезызлучательная рекомбинация на внутренних границах между слоямиструктуры, и особенно на границах активной области (Рисунок 20г, д, Рисунок21).

Это обусловлено тем, что неравновесные носители, рождающиеся во всѐмобъѐме структуры и достигающие за счѐт диффузии и дрейфа границы активнойобласти, гибнут на ней, если коэффициент безызлучательной рекомбинациивелик. При больших скоростях безызлучательной рекомбинации на границеактивной области эффективность сбора носителей существенно зависит отстроения волновода и активной области (Рисунок 20г, д).

Самой высокойэффективностью (Рисунок 20г, д) обладает структура с варизонным волноводом иактивной областью в виде одиночной ZnCdSe квантовой ямы. Однако приразличных сочетаниях коэффициентов поверхностной рекомбинации на границахразных слоѐв структуры эффективность сбора носителей может быть выше как уструктур с одиночной квантовой ямой, так и у структур с ZnSe квантовой ямой сCdSe дробно-монослойной вставкой в центре (Рисунки 20г, д, 14а, б,в).

Принизких (s < 103 м/с) коэффициентах безызлучательной рекомбинации на границахволновода и активной области эффективность сбора носителей выше у структур сZnSe квантовой ямой с CdSe дробно-монослойной вставкой в центре (Рисунки20а, б).При высоких коэффициентах безызлучательной рекомбинации на границахволновода и активной области (s > 103 м/с) эффективность сбора носителей можетбыть большой (Рисунки 20а, б, в), т.к. под эффективностью сбора носителей мыподразумеваем отношение числа носителей в активном слое к общему числуносителей во всех слоях структуры (Глава 2).

Поэтому, несмотря на то, что общее66число носителей в слоях структуры невелико, основная их часть собирается вактивном слое.Для выяснения вопроса о том, какие именно слои оказывают максимальноевлияние на эффективность сбора носителей была исследована зависимостьэффективности сбора носителей от коэффициентов поверхностной рекомбинациина внешней границе структуры и на границах между внутренними слоями вблизиактивной области (квантовой ямы). На границах между слоями структуры за счѐтнесоответствия параметров решѐток могут возникать дефекты, являющиесяцентрами безызлучательной рекомбинации.На Рисунке 21 приведены зависимости эффективности сбора носителей вквантовой яме от энергии электронного пучка для структуры с неваризоннымволноводом с одиночной ZnCdSe квантовой ямой, полученные при различныхкомбинацияхкоэффициентовповерхностнойрекомбинациинавнешнейповерхности структуры и на границах активной области.1,04530QW0,90,8efficiency0,74,1,30,6eff (s0-1=10m/s)10,50,40,30,20,12eff (s4-5=10 m/s)3eff (s1-3=10 m/s)4eff (s0-1=10 m/s)5eff (s1-3=10 m/s, s0-1=10 m/s)6eff (s4-5=10 m/s, s1-3=10 m/s)340,005324666332,68 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVРисунок 21.

Зависимости эффективности сбора носителей в активной области от энергииэлектронного пучка для структуры с одиночной ZnCdSe квантовой ямой при различныхсочетаниях коэффициента поверхностной рекомбинации на границах слоѐв структуры.67Рисунок 21 иллюстрирует определяющее влияние на эффективность сбораносителей значения коэффициента поверхностной рекомбинации на границеактивной области.Приведѐнные на Рисунке 21 зависимости, построенные как при отсутствиирекомбинации на границах активного слоя (s4-5= 0 м/с) так и при различныхзначениях коэффициентов поверхностной рекомбинации на других границах(s0-1= 10 м/с; s0-1= 104 м/с; s0-1= 10м/с, s1-3= 103 м/с), совпадают между собой(верхняя группа из трѐх практически совпадающих кривых 1, 3, 4) или малоотличаются (кривая 5) друг от друга (s0-1= 106 м/с, s1-3= 106 м/с).

В то же время, приучѐте рекомбинации на границе активной области (s0-1= 10 м/с, s4-5= 103 м/с;s0-1= 10 м/с, s1-3= 103 м/с, s4-5= 103 м/с), эффективность сбора носителей резкопадает (две нижние практически совпадающие кривые 2, 6).Таким образом, из наших расчѐтов следует, что при всех энергияхэлектронов накачки наибольшее влияние на величину эффективности сбораносителейоказываетповерхностнаярекомбинациянаграницахслоѐв,непосредственно примыкающих к активной области (квантовой яме).

Этообусловлено тем, что рождающиеся по всей толщине структуры носителивследствие диффузии и дрейфа могли бы достичь квантовой ямы, однако, часть изних безызлучательно рекомбинируют на внутренних слоях структуры, не попадаяв квантовую яму. Таким образом, влияние качества внутренних слоѐв структурытем критичнее, чем ближе они располагаются к квантовой яме.Из наших расчѐтов следует, что если коэффициенты безызлучательнойрекомбинации на внутренних границах отличны от нуля, то какой именно типволновода и активной области предпочтительнее (с точки зрения увеличенияэффективностисбораносителей)зависитотзначенийскоростейбезызлучательной рекомбинации на границах слоѐв структуры.Эффективность сбора носителей связана со значением пороговой плотноститокалазеров,эксперимента.реальноеСравнениезначениекоторойэкспериментальныхможетибытьрасчѐтныхопределеноиззависимостей68пороговой плотности тока от энергии электронов позволяет сделать вывод окачестве границ между слоями.6.2 Зависимость пороговой плотности тока и пороговой мощности накачкидля лазеров на основе ZnSe- содержащих структур различных типов отэнергии электронного пучкаМетодика вычисления пороговой плотности тока представлена в Главе 2.Заметим, что пороговая плотность тока будет определяться не толькоэффективностью сбора носителей в активной области структуры, но и факторомоптического ограничения.

Вычисления производились для четырѐх типовструктур, отличающихся строением волновода и активной области (рисунки12-15), а также для различных значений коэффициентов поверхностнойрекомбинациинаРисунках 22, 23границахразныхпредставленыслоѐвзависимостиструктурыпороговой(Таблицаплотностиэлектронного пучка от его энергии.8badc7s0-1=10m/sJth, arb.un.6Jth(4530QW)Jth(4531QD)Jth(4714QW)Jth(4714QD)5432102468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVа4).Натока699acbd874s0-1=10 m/sJth, arb.un.6Jth(4530QW)Jth(4531QD)Jth(4714QW)Jth(4714QD)54321002468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVб8bdac7Jth, arb.un.6Jth(4530QW)Jth(4531QD)Jth(4714QW)Jth(4714QD)54s0-1=10m/s3s1-3=10 m/s32102468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVJth, arb.un.в1600150014001300120011001000900800700600500400300200100dcJth(4530QW)Jth(4531QD)Jth(4714QW)Jth(4714QD)s0-1=10m/s3s4-5=10 m/sba02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVгJth, arb.un.7017001600150014001300120011001000900800700600500400300200100dcs0-1=10m/sJth(4530QW)Jth(4531QD)Jth(4714QW)Jth(4714QD)3s1-3=10 m/s3s4-5=10 m/sba02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVдРисунок 22.

Энергетические зависимости пороговой плотности тока для структур сразличным строением волновода и активной области:а (красная кривая) – для структуры 3 (варизонная с одиночной ZnCdSe квантовойямой);b (зелѐная кривая) – для структуры 1 (с квантовой ямой);c (голубая кривая) – для структуры 4 (варизонная с ZnSe квантовой ямой с CdSeдробно-монослойной вставкой в центре);d (чѐрная кривая) - для структуры 2 (с квантовой ямой со вставкой CdSe –наноостровков).22а, 22б, 22в, 22г, 22д – для различных коэффициентов безызлучательнойрекомбинации на поверхностях различных слоѐв структуры (Таблица 4).Можно видеть, что представленные зависимости, несмотря на отличия вконструкции волновода и активной области, по характеру близки друг к другу. Сростом энергии от 2 кэВ до 30 кэВ пороговая плотность тока уменьшается,достигает минимума при энергии электронов 12-17 кэВ, а затем плавноувеличивается. При малых значениях энергии электронов накачки, максимумраспределения потерь энергии в образце (энергия накачки) смещѐн к внешнейповерхности структуры.