Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 15

Отчетливо видно, что часть носителей сосредоточенав слоях сверхрешетки, а некоторая часть – в четверном широкозонномвнутреннем слое. С увеличением энергии пучка доля энергии, выделяющейся вовнутреннем широкозонном слое, и, соответственно, концентрация носителей вэтом слое увеличиваются (активная область простреливается насквозь), иэффективность генерации падает. Конечно, точное значение концентрации вкаждом слое будет определяться конкретными значениями времен жизни,величинойдиффузионнойдлинывкаждомслоеикоэффициентамибезизлучательной рекомбинации на каждой границе между слоями, значениякоторых известны лишь приблизительно. Поэтому, результаты расчетовпозволяют лишь качественно рассмотреть процессы, происходящие в многоямнойструктуре с электронной накачкой.106В толстых структурах возможно возбуждение мод высших порядков.Пример результатов расчета распределения поля поперечных типов колебаний вволноводе толщиной 1140 нм приведен на Рисунке 45.

Для мод высших порядковполевволноводеможетиметь несколькомаксимумов.Понятно, чтомаксимальная перекачка энергии электронного пучка в свет (что необходимо длясоздания как излучателей на основе катодолюминесценции, так и для лазеров)будет в случае расположения квантовых ям в максимумах поля.140021120031000800600400E,V/m2000-2004-400-600-800-1000-1200-1400-1500-1000-50005001000150020002500X,nmРисунок 45.

Пространственное распределение поля различных поперечных мод вволноводе толщиной 1140 нм. Номера мод указаны рядом с кривыми. Две вертикальныелинии – границы волновода.Былорассчитано,какизменяетсяпороговаяплотностьтокадлявозбуждения различных мод при изменении количества активных слоев в местахих расположения в волноводе. Такая информация необходима для дальнейшегоулучшения параметров лазерной структуры. Пример вычислений приведен наРисунках 46, 47. Можно сделать вывод, что уменьшение количества квантовых ямс 10 до 3-х мало сказывается на величине порога возбуждения мод. При наличии1073-х ям минимальным порогом при энергиях электронов 10-20 кэВ обладает 1-аямода.

Однако отличие порогов 1 и 2-й мод незначительно.За счет того, что в широком волноводе некоторые из активных слоев могутпопадать в максимумы поля световой волны высших типов колебаний, анекоторые – в узел поля, можно ожидать наличия сложной зависимости порогагенерации лазера от энергии электронов накачки при различном количествеактивных слоев и их расположении в волноводе.НаРисунке 46представленырезультатызависимостей пороговой плотности токарасчѐтовэнергетическихдля структур типа 4453 с размеромволновода 1140 нм, но с различным (3, 5, 7, 10) количеством активных слоѐв дляпервых двух типов колебаний резонатора.Рисунок 46.

Энергетические зависимости пороговой плотности тока для структур типа4453 с размером волновода 1140 нм, но с различным (3, 5, 7, 10) количеством квантовыхям для первых двух типов колебаний резонатора.Из Рисунка 46 видно, что минимальные значения пороговой плотности токанаблюдаются при разных энергиях электронного пучка для разных мод и108структур с различным количеством активных слоѐв. Так при энергии пучка 15 кэВминимальный порог наблюдается для основной моды структуры с пятьюактивными областями.

При энергиях электронов 25-30 кэВ минимальныезначения пороговой плотности тока наблюдаются для структуры с 10 квантовымиямами и второй моды. Таким образом, меняя энергию электронного пучка, можноуправлять модовым составом излучения лазера.На Рисунке 47 представлена вычисленная зависимость порога генерациилазера от энергии электронов накачки для образцов с размером волновода 600 и1200 нм и 10 и 20 активными слоями в нем, соответственно.

Заметим, что приналичии множественных квантовых ям, расположенных на расстоянии, меньшемдиффузионной длины носителей, концентрация в каждой яме будет меньше, чемпри наличии только одного активного слоя. В связи с этим, так как длявозникновения усиления в образце концентрация носителей должна превышатьконцентрацию просветления, порог для лазера на основе многоямной структурывсегда будет больше, чем для одноямной, расположенной в максимуме полямоды.Энергетические зависимости пороговой плотности токадля структуры 4453 с учётом распределения поляЭнергетические зависимости пороговой плотности токадля структуры типа 4453( волновод удвоенный)с учётом распределения поля2,03,51,91,83,01,71,6j, arb.un.j, arb.un.2,52,01,5мода№11,51,4мода№11,3мода№41,21,0мода№20,5мода№21,1мода№31,0101520energy, keV253014161820222426283032energy, keVРисунок 47.

Зависимость порога возбуждения различных поперечных типов колебаний отэнергии электронного пучка. Толщина волновода 600 нм, 10 активных слоѐв (левый график,структура 4453) и 1200 нм, 20 активных слоѐв (правый график).109Из Рисунка 47 видно, что при толщине волновода 600 нм минимальныйпорог наблюдается у второй моды, однако разница порогов возбуждения первой ивторой мод незначительна при энергиях пучка, превышающих 15 кэВ. Такимобразом, можно ожидать, что будут возбуждаться сразу оба типа колебаний. Притолщиневолновода1200 нмпорогивозбуждениямодуменьшаютсясувеличением энергии пучка, и разница порогов первых трех мод такженезначительна. Разница порогов возбуждения различных мод возрастает суменьшением энергии электронов накачки.На Рисунке 48 представлены расчеты зависимости порога генерации отномера моды для различных значений энергии пучка, при этом использовалисьпараметры структуры 4634 с 10 квантовыми ямами ZnCdSe в волноводе шириной2 мкм, для которой имеются результаты эксперимента.Зависимость порога генерации структуры 4634от номера моды для разных энергий электронного пучкапорог генерации, отн.ед.14000001200000100000080000015 кэВ60000024 кэВ25 кэВ21 кэВ23 кэВ30 кэВ4000001234567номер модыРисунок 48.

Зависимость порога генерации от номера моды для различныхзначений энергии пучка для структуры 4634.Из Рисунка 48 видно, что при энергиях электронов накачки 23-30 кэВминимальным порогом обладают вторая или первая поперечные моды, и отличие110порогов не очень существенно. С увеличением энергии порог генерацииуменьшается.На Рисунках 49a, b представлены фотографии распределения поля вдальней зоне для лазера на основе структуры 4634, полученные для двух близкихзначений плотности тока электронов накачки.abРисунок 49. Распределение поля в дальней зоне излучения лазера на основеструктуры 4634 при двух близких значениях плотности тока электроновнакачки.

Энергия электронов накачки 25 кэВ.Представленное на Рисунке 49b распределение соответствует второйпоперечной моде. При незначительном изменении условий накачки (Рисунок 49а)наблюдалось излучение с максимумом в центре, что соответствует возбуждениюпервого или нескольких одновременно типов колебаний. Таким образом,результаты расчетов находятся в согласии с экспериментальными данными.На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:-при увеличении толщины волновода h, необходимой для увеличениявыходной мощности лазера, количество возможных возбуждающихся в немпоперечных типов колебаний возрастает (от 2 при h= 0,6 мкм до 6 приh= 1,8 мкм), причем отличие порогов возбуждения различных поперечныхмод незначительно;111-различие порогов возбуждения различных мод возрастает при уменьшенииэнергии электронного пучка, т.е. изменение энергии электронов (призначениях энергии менее 20 кэВ) может являться эффективным способомуправления модовым составом излучения лазера;-при оптимальном расположении активной области, пороговая плотностьтока для структуры с одиночной квантовой ямой всегда ниже, чем длямногоямной структуры.Основные результаты главы 7-Выполнены расчѐты зависимости излучательных характеристик структур отразмеров волновода и положения квантовой ямы в пределах волновода, отразмеров внешнего и внутреннего ограничивающих слоѐв.Установлено, чтооптимальное положение активной области в волноводе зависит от энергииэлектронов накачки и размеров волновода.

Толщина внешнего слояструктуры не должна превышать 10-20 нм, что особенно важно при малых(менее 7 кэВ) значениях энергии электронов накачки. Толщина внутреннегоограничивающего волновод слоя должна быть не менее 800-1000нм. Такимобразом, при каждой энергии электронов существует своя оптимальнаяконструкция структуры, что соответствует результатам, полученным вработе [48].-Установлено, что для снижения пороговой плотности тока и рабочейэнергии электронов необходимо обеспечить максимальную эффективностьсбора неравновесных носителей в активную зону лазера, а такжемаксимальнуюэффективностьвзаимодействияносителейсполемэлектромагнитной волны, что может быть достигнуто выбором энергииэлектронов накачки.