Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 11

С увеличением энергии электронов доля энергии,71теряемой во внешнем ограничивающем слое уменьшается, что приводит крезкому уменьшению пороговой плотности тока.При дальнейшем увеличении энергии электронов накачки начинаетвозрастатьдоляэнергии,теряемойвовнутреннемограничивающемширокозонном слое ZnMgSSe и подложке, что приводит к постепенномунарастанию пороговой плотности тока. В случае идеальной структуры(поверхностная рекомбинация на всех границах практически отсутствует(рисунок 22а)), зависимости пороговой плотности тока накачки от энергииэлектронов jth ( E0 ) для всех рассматриваемых структур примерно совпадают.

Этообъясняется следующим образом: поскольку эффективность сбора носителей дляидеальной структуры (рисунок 22а) не зависит от конструкции активной области,то концентрация носителей в активной области будет обратно пропорциональнаеѐ ширине, т.е. концентрация носителей в активной области QW- структур (содиночной квантовой ямой) будет меньше, чем в активной области QD- структур.Однако фактор оптического ограничения Г в случае QW- структур больше, чем вслучае QD- структур.

Поскольку (см. главу 2) пороговая плотность токаопределяется произведением концентрации носителей в активной области нафактор оптического ограничения, то плотности тока накачки электронов jth ( E0 )для идеальной структуры практически одинаковы.Длявсехрассмотренныхструктурпринулевомкоэффициентеповерхностной рекомбинации на границе активной области (рисунок 22а, б, в),зависимостиjth ( E0 )такжепрактическисовпадаютприизменениикоэффициентов поверхностной рекомбинации на остальных границах в пределахот 0 до 104 м/с. Таким образом, определяющее влияние на величину пороговойплотноститоканакачкиоказываеткачествограницслоѐвструктуры,непосредственно прилегающих к активной области (QW или QD) (рисунок 22г, д).Это также следует из рисунка 23, на котором приведены зависимостиjth ( E0 ) для структуры с неваризонным волноводом с одиночной ZnCdSe72квантовой ямой при различных комбинациях значений коэффициентов s награницах слоѐв данной структуры.4530QW4003Jth (s4-5=10 m/s)33Jth (s4-5=10 m/s, s1-3=10 m/s)763002004010030j, arb.un.0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 305E,keVaj, arb.un.j, arb.un.866Jth (s1-3=10 m/s, s0-1=10 m/s)2010413232Jth (s0-1=10m/s)3Jth (s1-3=10 m/s)00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVb4Jth (s0-1=10 m/s)102468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVРисунок 23.

Зависимости пороговой плотности тока от энергии электронов для структурыс одиночной ZnCdSe квантовой ямой.1 (чѐрная кривая) – коэффициенты поверхностной рекомбинации на внешнейповерхности структуры s= 10 м/с, на остальных границах - s= 0 м/с;2 (красная кривая) – коэффициенты поверхностной рекомбинации на границахволновода s= 103 м/с, на остальных границах - s= 0 м/с;3 (зелѐнаякривая) – коэффициентыповерхностнойрекомбинациинавнешнейповерхности структуры s= 104 м/с, на остальных границах - s= 0 м/с.На вкладке а – коэффициент поверхностной рекомбинации на границах активнойобласти s= 103 м/с, на границах волновода у одной из кривых s= 103 м/с, у другой s= 0 м/с.На вкладке b - на границах активной области s= 0 м/с, на внешней поверхностиструктуры и на границах волновода s= 106 м/с.73Видно, что изменение коэффициентов поверхностной рекомбинации на всехграницах кроме границ слоѐв, прилегающих к активной области в пределах от 0до 104 м/с не приводит к сколько-нибудь существенным изменениям величины jth(кривые 1, 2, 3).

Увеличение коэффициентов поверхностной рекомбинации навнешней поверхности и на границах волновода до 10 6 м/с (вкладка b) приводит кувеличению значений пороговой плотности тока в 1,5-2 раза при энергиях пучкаболее 7 кэВ, при энергии 4 кэВ примерно в 5 раз. В то же время, увеличениекоэффициента s4-5 на границах активной области от 0 до 10 3 м/с приводит квозрастанию величины jth почти на два порядка (вкладка а).На Рисунках 24 а,б,в,г,д представлены расчѐтные зависимости пороговойплотности мощности накачки, т.е. произведения пороговой плотности тока пучкаи ускоряющего напряжения, от энергии электронного пучка, выполненные длялазеров на основе структур с различной конструкцией волновода и активнойобласти.0,07Pth, arb.un.0,060,050,04s0-1=10m/s4530QW4531QD4714QW4714QD0,030,020,010 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E0,keVа744s0-1=10 m/s0,074530QW4531QD4714QW4714QD0,050,040,030,020,0102468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E0,keVбs0-1=10m/s0,083s1-3=10 m/s0,064530QW4531QD4714QW4714QD0,040,0202468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E0,keVвPth, arb.un.Pth, arb.un.Pth, arb.un.0,06s0-1=10m/s161514131211109876543213s4-5=10 m/s4530QW4531QD4714QW4714QD02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E0,keVгPth, arb.un.75s0-1=10m/s161514131211109876543213s1-3=10 m/s3s4-5=10 m/s4530QW4531QD4714QW4714QD02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E0,keVдРисунок 24.

Зависимость пороговой мощности накачки от энергии электронного пучка дляструктур с различным строением волновода и активной области.а (красная кривая) – для варизонной структуры с одиночной ZnCdSe квантовой ямой;b (зелѐная кривая) – для структуры с квантовой ямой;c (голубая кривая) – для варизонной структуры с ZnSe квантовой ямой с CdSe дробномонослойной вставкой в центре;d (чѐрная кривая) - для структуры с квантовой ямой со вставкой CdSe- наноостровков.Коэффициенты безызлучательной рекомбинации на различных поверхностях структурприведены в Таблице 4.Можно видеть, что представленные на Рисунке 24 зависимости, несмотря наотличия в конструкции волновода и активной области, по характеру близки друг кдругу. С ростом энергии от 2 кэВ до 30 кэВ пороговая мощность накачкиуменьшается, достигает минимума при энергии электронов 4-7 кэВ, а затемувеличивается. При малых значениях энергии электронов накачки, максимумраспределения потерь энергии в образце (энергия накачки) смещѐн к внешнейповерхности структуры.

С увеличением энергии электронов доля энергии,теряемой во внешнем ограничивающем слое, уменьшается, что приводит куменьшению пороговой плотности мощности накачки. При дальнейшемувеличении энергии электронов накачки начинает возрастать доля энергии,76теряемой во внутреннем ограничивающем широкозонном слое ZnMgSSe иподложке, что приводит к постепенному нарастанию пороговой плотностимощности накачки. В случае идеальной структуры (поверхностная рекомбинацияна всех границах практически отсутствует (Рисунок 24а) зависимости пороговойплотности мощности накачки от энергии электроновPth ( E0 )для всехрассматриваемых структур примерно совпадают.

Это объясняется следующимобразом: поскольку эффективность сбора носителей для идеальной структуры(Рисунок 20а) не зависит от конструкции активной области, то концентрацияносителей в активной области будет обратно пропорциональна еѐ ширине, т.е.концентрация носителей в активной области QW- структур (с одиночнойквантовой ямой) будет меньше, чем в активной области QD- структур. Однакофактор оптического ограничения Г в случае QW- структур больше, чем в случаеQD- структур. Поскольку (см. главу 2) пороговая плотность тока определяетсяпроизведением концентрации носителей в активной области на фактороптического ограничения, а Pth ( E0 ) определяется, как произведение пороговойплотности тока пучка и ускоряющего напряжения, то зависимости пороговойплотности мощности Pth ( E0 ) от энергии электронов для идеальных структурразличных конструкций практически одинаковы.Длявсехповерхностнойрассмотренныхрекомбинацииструктур(s4-5= 0 м/с)принанулевомграницекоэффициентеактивнойобласти(Рисунки 24а, б, в), зависимости Pth ( E0 ) также практически совпадают приизменении коэффициентов поверхностной рекомбинации на остальных границахв пределах от 0 до 104 м/с.

Таким образом, определяющее влияние на величинупороговой плотности мощности накачки оказывает качество границ слоѐвструктуры, непосредственно прилегающих к активной области (QW или QD)(Рисунки 24 г, д).7753Pth,norm (s4-5=10 m/s)Pth, arb.un.40,070,0633Pth,norm (s4-5=10 m/s, s1-3=10 m/s)3str.4530QWa20,404812 16 20 24 280,04Pth,norm (s0-1=10m/s)3Pth,norm (s1-3=10 m/s)0,0366Pth,norm(s1-3=10 m/s, s0-1=10 m/s)0,3E,keVPth , arb.un.Pth, arb.un.10,05str.4530QW0,2b0,14Pth,norm (s0-1=10 m/s)0,000,024812 16 20 24 28E,keV0,0102468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVРисунок 25.

Зависимости пороговой мощности накачки от энергии электронов дляструктуры с одиночной ZnCdSe квантовой ямой.1 (чѐрная кривая) – коэффициенты поверхностной рекомбинации на внешнейповерхности структуры s= 10 м/с, на остальных границах - s= 0 м/с;2 (красная кривая) – коэффициенты поверхностной рекомбинации на границахволновода s= 103 м/с, на остальных границах - s= 0 м/с;3 (зелѐная кривая) – коэффициенты поверхностной рекомбинации на внешнейповерхности структуры s= 104 м/с, на остальных границах - s= 0 м/с.На вкладке а – коэффициент поверхностной рекомбинации на границах активнойобласти - s= 103 м/с, на границах волновода у одной из кривых s= 103 м/с, у другой s= 0 м/с;На вкладке b - на границах активной области - s= 0 м/с, на внешней поверхностиструктуры и на границах волновода s= 106 м/с.На Рисунке 25 представлены зависимости пороговой плотности мощностинакачки для структуры с неваризонным волноводом с одиночной ZnCdSeквантовой ямой, полученные при различных комбинациях коэффициентовповерхностной рекомбинации на внешней поверхности структуры и навнутренних границах вблизи квантовой ямы.78Из Рисунка 25 можно видеть, что пороговая мощность накачки практическине зависит от энергии электронов в диапазоне от 2 до 10 кэВ при небольших (до102 м/с) значениях коэффициента поверхностной рекомбинации на внешнейповерхности.

Пороговая плотность мощности накачки возрастает с уменьшениемэнергии электронов лишь при большом (s= 106 м/с, см. Рисунок 25, вкладка b)коэффициенте поверхностной рекомбинации на внешней поверхности.6.3 Сравнение результатов расчѐтов и экспериментаДля экспериментального определения зависимостей пороговой плотноститока от энергии электронов накачки и параметров лазерной структурыиспользовалась разборная установка, позволяющая оперативно менять образцы ввакуумнойкамере.Параметрыисточниканакачкиследующие:энергияэлектронов – до 15 кэВ, плотность тока электронов в плоскости образца – до10 А/см2, длительность импульса накачки – 0,2 мкс, частота следованияимпульсов – 1,5 Гц.Для лазерных экспериментов из полученных образцов выкалывалисьполоски - лазерные резонаторы, длина резонатора составляла около 0,5 мм.Образцы закреплялись на хладопроводе в вакуумной камере.

Температураобразцов–комнатная.Использоваласьпоперечнаягеометриянакачки(Рисунок 26) (оптическая ось резонатора была перпендикулярна направлениюпучка электронов). Порог генерации определялся визуально в микроскоп попоявлению яркой светящейся точки на торце резонатора лазера.Рисунок 26. Схема регистрации излучения с торца.79Некоторые характеристики экспериментально исследованных структурприведены в Таблице 5.Таблица 5№структурыd, нмH, мкмТип волноводаРасположениеТипактивного слояактивногов волноводеслояD, мкмодиночная4-094200,3022варизонныйасимметричноевставка КТ1,2CdSe4-099100,324неваризонныйсимметричноеодиночнаяКЯ(7 нм).1,3одиночная4-445200,62неваризонныйсимметричноевставка КТ1,2CdSeодиночная4-446200,37неваризонныйасимметричноевставка КТ1,15CdSeВ Таблице 5 приняты следующие обозначения:d – ширина внешнего ограничивающего волновод ZnMgSSe- слоя;D - ширина внутреннего ограничивающего волновод ZnMgSSe- слоя;H – толщина волновода.Длина резонатора L составляла 0,5–1мм.На Рисунке 27 приведены экспериментальные зависимости пороговойплотности тока jth от энергии электронов накачки для лазеров на основе структурс различной конструкцией активной области и волновода.804,54-0994-0944,03,5Jth,A/cm23,02,52,01,51,00,50,04681012E0, keVА4-4464-4454-4464-4464-4453,02,5L=0.65L=0.5L=0.925L=0.925L=0.925Jth, A/cm22,01,51,00,54000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000E0, eVВРисунок 27.