Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 14

Зависимости эффективности сбора носителей в активной области от ширинывнешнего ZnMgSSe- слоя, ограничивающего волновод, для разных энергий (структура сквантовой ямой).Значения параметров слоѐв структуры приведѐны в Таблице 3.99Расчѐты производились при следующих коэффициентах поверхностнойрекомбинации s (м/с) на границах слоѐв:вакуум – поверхность структуры102внешний ограничивающий слой - волновод106сверхрешѐтка – активная область103Из Рисунка 40 следует, что при малых энергиях накачки (менее 10 кэВ)эффективность сбора носителей в активной области структуры уменьшается сростом ширины внешнего ограничивающего волновод слоя, тогда как, приэнергии 10 кэВ зависимость эффективности сбора носителей имеет максимум пришириневнешнегоограничивающеговолноводслоя50 нм.Такойходзависимостей очевидно объясняется тем, что увеличение ширины внешнегоограничивающего волновод слоя может приводить к изменению координатыактивной области, т.е.

еѐ расположение может оказаться более оптимальным (см.Рисунки 30, 31), а также характером распределения потерь энергии электроновнакачки по глубине структуры. При попадании максимума распределения потерьэнергии электронов накачки во внешний ограничивающий слой эффективностьсбора носителей, естественно, уменьшается с увеличением ширины внешнегоZnMgSSe- слоя, ограничивающего волновод, что особенно заметно при малыхэнергиях электронов накачки.7.4 Зависимость излучательных характеристик структур от ширинывнутреннего ограничивающего волновод слояРезультатырасчѐтовзависимостейпороговойплотноститокаиэффективности сбора носителей в активной области волновода от размероввнутреннего ограничивающего волновод ZnMgSSe- слоя для структуры сквантовой ямой с CdSe- дробно-монослойной вставкой представлены на100Рисунках 41, 42.

Ширина внутреннего ограничивающего волновод ZnMgSSe- слояменялась в пределах от 50 нм до 2 мкм.На Рисунках 41, 42 представлены зависимости пороговой плотности тока иэффективности сбора носителей от ширины внутреннего ZnMgSSe- слоя.0,36JthJthJthJthJth0,340,320,30Jth, arb.un.0,28(5keV)(7keV)(12keV)(20keV)(30keV)0,260,240,220,200,180,160,140,120200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000DZnMgSSe,nmРисунок 41. Зависимости пороговой плотности тока от ширины внутреннегоZnMgSSe -слоя, ограничивающего волновод, для разных энергий (структура сквантовой ямой с CdSe- дробно-монослойной вставкой).5keV0,70,612keV0,530keV0,0150,3efficiencyefficiency0,0200,40,20,0100,0050,10400800120016002000DZnMgSSe, nm0,00200400600800100012001400160018002000DZnMgSSe, nmРисунок 42. Зависимости эффективности сбора носителей в активной области отширины внутреннего ZnMgSSe- слоя, ограничивающего волновод, для разных энергий(структура с квантовой ямой с CdSe- дробно-монослойной вставкой).101Как можно видеть из Рисунков 41, 42 эффективность сбора носителей ипороговая плотность тока накачки при энергиях электронов менее 10 кэВ независят от размера внутреннего ZnMgSSe- слоя.

Это связано с тем, что приданном размере волновода при малых энергиях электронов накачки практическився их энергия расходуется внутри волновода. При энергиях электронов накачкиболее 10 кэВ пороговая плотность тока при увеличении размера слоя до1000-1200 нм уменьшается, а затем практически не зависит от размеравнутреннегоограничивающеговолноводслояприувеличенииэнергииэлектронов накачки до 30 кэВ.

Эффективность сбора носителей в активнойобласти волновода растѐт с увеличением ширины внутреннего ZnMgSSe- слояпри энергиях электронов от 20 кэВ и выше. При энергии электронов в интервалеот 10 до 20 кэВ рост эффективности сбора носителей при увеличении размеравнутреннего ZnMgSSe более 700-1000 нм практически прекращается, чтоочевидно связано с характером распределения потерь электронов по глубинеструктуры. Таким образом, толщина внутреннего ограничивающего волноводслоя должна быть не менее 800-1000 нм.7.5 Расчѐты характеристик полупроводниковых структур с множественнымиквантовыми ямамиМаксимальные значения мощности излучения лазера с поперечнойнакачкой ограничены разрушением активного элемента собственным излучением[1, 78, 79].

Для каждого материала существует свое критическое значениеудельной энергии светового импульса, при которой наступает его разрушение.Для таких материалов, как ZnSe, GaAs критические значения удельнойимпульсноймощностисоставляютвеличинупорядка107 Вт/см2(придлительности импульса порядка 10-7 с). Чтобы увеличить предельную выходнуюмощность лазера необходимо увеличить площадь излучающей поверхности. Прииспользовании для накачки электронного пучка объем активной области лазера (и102площадь его выходного торца) можно увеличить путем увеличения энергииэлектронов накачки. При этом может оказаться, что глубина проникновенияэлектронного пучка в материал будет больше длины диффузии неравновесныхносителей.

В этом случае для обеспечения достаточно высокой эффективностииспользованияэнергииэлектронногопучкаприходитсяиспользоватьотносительно толстые структуры с множественными квантовыми ямами.При этом следует отметить, что длина диффузии в значительной степениопределяется используемым материалом и уровнем технологии выращиванияструктур. Так, например, в структурах на основе нитридов галлия и индия длинадиффузии не превосходит 0,1 – 0,2 мкм [80], в то время как в ZnSe- содержащихструктурах (~0,5 мкм, [73]), а также в структурах на основе GaAs/InGaAs/AlGaAs[74] она значительно больше. В связи с этим, для наиболее полногоиспользования энергии электронного пучка в разных материалах требуетсяразличная конструкция активной области.При использовании толстых слоистых структур в лазерах с поперечнойнакачкой нужно учитывать возможность возбуждения различных поперечныхтипов колебаний в волноводе.

Были исследованы параметры лазеров на основеZnSe- содержащих структур с различной толщиной волновода от 0,2 до 2 мкм,содержащей различное количество активных слоев (до 10).НаРисунке 43представленыграфикиэнергетическихпотерьдляэлектронных пучков с разной энергией в зависимости от глубины проникновения,а также приведена схема структуры с 10 активными слоями (квантовыми ямамисо вставками CdSe), исследованной экспериментально.Из Рисунка 43 видно, что для накачки этой структуры оптимальноезначение энергии электронного пучка составляет 20-25 кэВ.103Рисунок 43. Графики энергетических потерь для электронных пучков с разной энергией взависимости от глубины проникновения, а также схема исследуемой многоямнойструктуры. На вставке представлен спектр генерации при энергии электронного пучка13 кэВ и длине резонатора 0.83 мм.НаРисунке 44представленырезультатырасчетараспределенияконцентрации носителей в представленной на Рисунке 43 структуре приразличных значениях энергии электронного пучка.

В расчетах использованыпространственные распределения потерь энергии электронов в кристаллах ZnSe,представленные в главе 3. Значение диффузионной длины принято равным0,5 мкм [73], время жизни носителей в широкозонных слоях ZnMgSSe равно0,04 нс (Таблица 3) и в остальных слоях – 0,4 нс. При таких значениях временжизнинамудалосьэкспериментальныхранеедостичьзависимостейлучшегоинтенсивностиструктуры от энергии электронного пучка (Глава 4).согласиярасчетныхикатодолюминесценции1046657554N,отн.ед.N,отн.ед.43322110000100200300400500600700800900100200300100040050060070080090010007008009001000глубина, нмглубина, нм66155544N,отн.ед.N,отн.ед.1033221100010020030040050060070080090010000100200300глубина, нм600620525544N, отн.ед.N, отн.ед.500глубина, нм632321100100200300400500600700800900100000100200глубина, нм6400300400500600700800900глубина, нм0,00530 кэВ1550,0040,003N,отн.ед.N, отн.ед.4320,0020,001100100200300400500600глубина, нм70080090010000,0000500100015002000глубина, нмРисунок 44.

Пространственное распределение носителей в структуре с 10 активными слоямипри накачке электронным пучком с энергией 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30 кэВ (расчет). Внешняяповерхность структуры – слева на рисунках. Внутренняя поверхность волновода лежит наглубине около 650 нм. На рисунке, расположенном в правом нижнем углу, данные относятся кэнергии пучка 15 кэВ, масштаб по оси ординат уменьшен на три порядка.100105Из результатов расчета (Рисунок 44) можно проследить, как изменяетсязаселенность различных слоев структуры при изменении энергии электроновнакачки. С увеличением энергии электронного пучка возрастает количествослоев, заполненных носителями. При энергии, превышающей 15 кэВ, заполнены,хотя и в разной степени, все активные слои.

С дальнейшим увеличением энергиипучка структура простреливается насквозь, заметная часть энергии выделяется вовнутреннем широкозонном слое ZnMgSSe, и за счет диффузии носителей из этогослоя идет эффективное заполнение носителями последнего, 10-го слоя,концентрация в котором значительно возрастает. Одновременно с заполнениемактивных слоев CdSe/ZnSe часть носителей остается в сверхрешетке. При этом,однако, как показывают расчеты при приведенных выше параметрах структуры,концентрация носителей в активных слоях на два-три порядка превышаетсуммарную концентрацию носителей в СР, что говорит о высокой эффективностисбора носителей в активных слоях структуры.На Рисунке 44 в правом нижнем углу показано распределение носителей поструктуре при энергии электронов 15 кэВ, при этом масштаб по оси ординатуменьшен на три порядка по сравнению с остальными рисунками, и масштаб пооси абсцисс увеличен вдвое.