Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 12

Экспериментальные зависимости пороговой плотности тока Jth от энергииэлектронов накачки для лазеров на основе различных структур.А – для структур 4-094 и 4-099 с длиной резонатора L = 0,5 мм;В – для лазеров на основе структур 4-446 и 4-445 с различной длиной резонатора. Длинарезонатора L (в мм) указана в таблице в верхней части рисунка.81Сравнение результатов расчетов (Рисунки 22, 23) и экспериментов(Рисунок 27)показывает,чтонаблюдаетсяихкачественноесовпадение;минимальное значение пороговой плотности тока пучка достигается при энергииэлектронного пучка около 10 кэВ (эксперимент) и 12-15 кэВ (расчет).Наблюдается монотонное увеличение пороговой плотности тока приуменьшении энергии электронов накачки. Можно отметить, что в экспериментахболее низкие пороги генерации наблюдаются у структур с симметричнымволноводом (Рисунок 27, Таблица 5).

В соответствии с расчетами, экспериментпоказывает, что отличие в порогах для структур с разной конструкцией активнойобластинеоченьбольшое(Рисунки27, 22а-в).Заметим,чтоиз-запространственной неоднородности структур и резонатора, параметры лазеров,изготовленных из разных участков одного и того же образца, слегка отличаются.Зависимости пороговой плотности тока от энергии электронов для лазеров наоснове структур с различной конструкцией активной области близки друг другу,чтосоответствуетрезультатамрасчѐтовпрималыхкоэффициентахповерхностной рекомбинации на границах, близких к активной области.При плотности тока электронного пучка около 2,5 А/см2 в лазерах на основеструктуры 4-099 с тонким (d= 10 нм) внешним ограничивающим слоем ZnMgSSeудалось получить генерацию при рекордно низких значениях энергии электронов3,2 кэВ.

При такой же энергии удалось достичь порога генерации в лазере наоснове структуры 4-094 (в ней d= 20 нм), но при значительно большей величинеплотности тока пучка (Рисунок 27).Заметим, что для электронов с энергией 2, 3, 4, 5 кэВ максимумыраспределенияэнергиинакачкивZnSeрасположенынарасстояниях7, 14, 22, 32 нм от поверхности, соответственно (см.

Таблицу 2). Таким образом,при энергии электронов менее 4 кэВ энергия накачки выделяется в основном вовнешнем слое ZnMgSSe при его толщине d= 20 нм. По-видимому, именно потериносителей во внешнем ограничивающем слое ZnMgSSe, а не конструкцияволновода и активной области лазера, оказывают определяющее влияние на82значения пороговой плотности тока электронов при невысоких (<5-6 кэВ)значениях их энергии. Расчет зависимости пороговой плотности тока от толщинывнешнего ограничивающего волновод слоя структуры приведен в разделе 7.3.Сравнение результатов расчѐта и эксперимента позволяет прогнозироватьзначения пороговой плотности тока, при которой может быть получена генерацияпри сверхнизких энергиях (1-2кэВ) электронов накачки.НаРисунке 28представленывычисленныезависимостипороговойплотности тока электронного пучка от его энергии при различных значенияхскорости поверхностной рекомбинации для структуры 4-099, для которойJth, arb.un.имеются экспериментальные данные (Рисунок 27).22 s=100002018161412 s=100010 s=100s=10864201234567E , keV8910110Рисунок 28.

Зависимости пороговой плотности тока для структуры 4-099 при различныхкоэффициентах поверхностной рекомбинации s на свободной границе.С увеличением скорости поверхностной рекомбинации на внешней границеструктуры пороговая плотность тока, естественно, возрастает. Как следует изэкспериментов (Рисунок 27А), при уменьшении энергии электронов от 10 до3,2 кэВ пороговая плотность тока лазера на основе структуры 4-099 возрослапримерно в 4 раза. Такое увеличение соответствует расчетам, выполненным прискорости поверхностной рекомбинации s= 10-100 м/с (Рисунок 28).

Таким83образом,поверхностнаярекомбинациянавнешнейграницеструктурыпроявляется не сильно, что связано с высоким совершенством поверхностииспользуемых структур.На Рисунке 29 представлены экспериментальные зависимости пороговойплотности мощности накачки Pth  j thU от энергии электронов U для различныхструктур.4-4454-4464-4364-4454-4464-4454-4464-446180001600014000Pth,Vt/cm212000L=0.5L=0.65L=0.5L=0.5L=0.925L=0.925L=0.925L=0.925100008000600040002000010 11000 120004000124 5000 60006 7000 80008 9000 10000E0,keVА4-0944-09940Pth, kVt/cm23020100024681012E0, keVВРисунок 29.

Экспериментальные зависимости пороговой плотности мощности накачки отэнергии электронного пучка для различных структур. Длина резонатора L в мм указана вверхней части рисунка.84Минимальное значение пороговой интенсивности около 3,5 кВт/см2наблюдалось для лазера на основе структур 4445 и 4446 с длиной резонатораL= 0,92 мм.Из Рисунка 27А следует, что если при температуре Т= 300 К пороговаяплотность тока при энергии электронов Е0= 6 кэВ составляет около 1,2 А/см2(Рисунок 27А, структура 4-099), то при Е0= 2 кэВ следует ожидать ее увеличенияпримерно в 3 раза, а при Е0= 1 кэВ – в 6 раз (Рисунок 27А).

Таким образом, дляснижения рабочей энергии электронов накачки до 1-2 кэВ для лазеров зеленогодиапазона на основе структур, технология выращивания которых уже освоена,необходима разработка источника электронов с плотностью тока около 7-8 А/см2.В соответствии с расчетами (Рисунки 24, 25) пороговая мощность накачкипрактически не меняется при изменении энергии электронов от 4 кэВ до 10 кэВ.Таким образом, рассчитанные зависимости пороговой плотности мощностиот энергии накачки, находятся в соответствии с экспериментальными кривыми(Рисунок 29).Основные результаты главы 6.-Рассчитаны зависимости излучательных характеристик структур от энергииэлектронного пучка.-Установлено что характер зависимости эффективности сбора носителей отэнергии практически не зависит от строения волновода и активной области.Максимальное значение эффективности сбора носителей достигается приэнергиях накачки 7-8 кэВ, при которых основная часть энергии накачкинаходится в пределах волновода.-Показано, что при всех энергиях электронов накачки наибольшее влияниена величину эффективности сбора носителей оказывает поверхностнаярекомбинация на границах слоѐв, непосредственно примыкающих кактивной области (квантовой яме).85-Выполнены расчѐты зависимости пороговых значений плотности тока иплотности мощности накачки для лазеров на основе ZnSe- содержащихструктур различных типов от энергии электронного пучка.-Установлено что зависимости пороговых плотности токаjth ( E0 ) иплотности мощности Pth ( E0 ) от энергии электронов для идеальныхструктур различных конструкций практически одинаковы.-Установлено что определяющее влияние на величину пороговых значенийплотности тока и плотности мощности накачки оказывает качество границслоѐв структуры, непосредственно прилегающих к активной области.86ГЛАВА 7.

ЗАВИСИМОСТЬ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКСТРУКТУР РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОТ ИХ ПАРАМЕТРОВВ данной главе проведены расчѐты зависимостей эффективности сбораносителейвхарактеристикактивнойобластиполупроводниковыхструктурылазеровиотзависимостейпараметровпороговыхиспользуемыхструктур таких, как толщина широкозонных слоѐв ZnMgSSe, ограничивающихволновод; размеры и структура волновода; строение активной области и еѐрасположение внутри волновода.7.1 Зависимость излучательных характеристик структур от положенияквантовой ямы в пределах волноводаЭффективность сбора носителей в активную область лазера и пороговаяплотность тока накачки могут зависеть от положения квантовой ямы в пределахволновода.Таккакприэлектронно-лучевомвозбуждениимаксимумраспределения энергии накачки в образце зависит от энергии электронов,оптимальноеположение активной области также должно быть разным приразных значениях энергии электронов накачки.

Для исследования этого вопросабылипроведенырасчетызависимостипороговойплотноститокаиэффективности сбора носителей от положения активного слоя (QW+QD) вволноводе. Результаты расчетов для структуры с ZnSe квантовой ямой с CdSeдробно-монослойнойвставкой в центре (Рисунок 13) с шириной волновода300 нм, 360 нм и 540 нм представлены на Рисунках 30, 31. На этих рисункахтакже представлено распределение электромагнитного поля основной моды вволноводе, моды более высоких порядков не возбуждаются в волноводах такойширины.871614Jth, arb.un.1210Boundariesof the waveguide3 keV87 keV645 keV10keV20050100150200250300350400450XQW,nmA7keV2,010keV1,815keV1,61,4Jth, arb.un.30keVBoundariesof the waveguidemode1dE0/dx(7keV)1,21,00,80,60,40,20,00100200300400500600XQW, nmBРисунок 30.

Зависимости пороговой плотности тока накачки от расположения активногослоя волновода для различных энергий электронного пучка.Ширина волновода 360 нм (A), 540 нм (В). На Рисунке (В) приведены такжераспределение поля основной моды и распределение потерь электронов накачки поглубине структуры при энергии пучка 7 кэВ.88Jth (2keV)Jth (5keV)Jth (7keV)Jth (12keV)Jth (20keV)Jth (30keV)modeWG:300nmJth, Emode , arb.un.1,21,00,80,60,40,2-50050100150200250300350XQD,nmРисунок 31. Зависимости пороговой плотности тока накачки и основной моды волноводаот расположения активного слоя волновода для различных энергий электронного пучка.Ширина волновода 300 нм.Из Рисунков 30, 31 можно видеть, что все зависимости пороговойплотности тока накачки от расположения активного слоя волновода имеютминимум для всех рассмотренных энергий электронного пучка.

То есть, дляполучения минимального значения плотности тока накачки в структуре сволноводом шириной 300 нм активный слой должен располагаться на глубине180-210 нм для энергий электрона в интервале от 2 до 30 кэВ, что примерносоответствует положению максимума распределения поля основной модыволновода (193 нм). При увеличении размера волновода становится заметным, чтооптимальное положение активной области определяется не только положениеммаксимума поля моды, но и максимумом распределения энергии накачки инаходится между максимумами распределения поля моды и потерь энергииэлектронов в структуре.Из Рисунка 31 следует, что зависимости пороговой плотности тока отположения активного слоя в волноводе при различных энергиях электроновнакачки почти не отличаются: при любых энергиях электронов накачки при89ширине волновода 300 нм оптимальное положение активного слоя соответствуетпримерно середине волновода. С увеличением ширины волновода смещениеактивной области от центра волновода в сторону поверхности проявляется болееявно, особенно при малых (2-5 кэВ) значениях энергии электронов накачки(Рисунок 30А).