Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 16

Для этого необходимо, чтобы совпали максимумыраспределения потерь энергии электронов, распределения поля основноймоды в резонаторе и положения квантовой ямы.112-Установлено, что для увеличения фактора оптического ограничения ширинаволновода должна быть уменьшена до величины, при которой уверенновозбуждается волноводная мода и подавляющая часть энергии поля неуходит за его пределы (обычно – 300-350 нм). При размере волновода ~ 300нм максимум распределения поля совпадает с максимумом накачки приэнергии электронов ~ 10 кэВ. Таким образом, оптимальное (с точки зренияснижения пороговой плотности тока) значение энергии электронов накачкив конечном счете определяется значением длины волны (в материале)излучения лазера.-Экспериментально продемонстрирована возможность получения генерациилазеров на основе ZnSe- содержащих структур при рекордно низкихзначениях энергии электронов 3,2 кэВ за счѐт уменьшения толщинывнешнегослояструктурыэкспериментальнымдоданными10 нм.следуетИзсравнениявозможностьрасчетовсдальнейшегоуменьшения рабочей энергии электронов в лазерах данного типа довеличины 1 – 2 кэВ.-Выполнены расчеты пространственного распределения неравновесныхносителей в многоямных структурах при их накачке электронами сразличной энергией.

Показано, что концентрация носителей в крайнихслоях может превышать концентрацию в остальных слоях за счет диффузиии дрейфа носителей из внешних слоев ZnMgSSe, причем заселенностьотдельных ям зависит от их расположения и значения энергии электроновнакачки. Установлено, что для структур с множественными активнымислоями с широким волноводом практически для всех мод порог падает сувеличением энергии пучка.

То есть, для создания мощных лазеров выгодноувеличивать толщину волновода с одновременным увеличением энергииэлектронов накачки. Для структур с шириной волновода 0,6-2 мкмуменьшение количества квантовых ям с 10 до 3 практически не сказывается113на величине порога генерации. Так как введение дополнительных слоевнеизбежно сопряжено с увеличением вероятности образования дефектовструктуры, использование структур с большим количеством квантовых ям,по-видимому, нецелесообразно с точки зрения уменьшения порогагенерации.-Установлено, что в многоямных структурах с широким (1-2 мкм)волноводом пороговая плотность тока имеет сложную зависимость отрасположения и количества активных слоев для различных поперечных модрезонатора. При использовании толстых структур с множественнымиактивными слоями можно, меняя энергию электронов, возбуждатьразличные типы колебаний в резонаторе.

При оптимальном расположенииактивной области, пороговая плотность тока для структуры с одиночнойквантовой ямой всегда ниже, чем для многоямной структуры.114ГЛАВА 8. РАСЧЁТЫ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХСТРУКТУР ДЛЯ УФ- И ИК-ДИАПАЗОНОВВ предыдущей главе приведены результаты расчѐтов характеристик ZnSe –содержащих структур, излучающих в зелѐной области спектра. Использованнаяпри этом методика расчѐтов может быть применена для численного исследованияструктур на основе нитридов индия, галлия и алюминия, излучающих в синем,фиолетовом и УФ-диапазонах длин волн, а также излучателей ИК-диапазона наоснове GaAs/InGaAs/GaAlAs.

В данной главе приведены расчѐты параметровтаких излучателей.8.1 Расчѐты характеристик полупроводниковых структур для УФ-диапазонаСтруктуры на основе AlGaN позволяют получать излучение в областиглубокогоультрафиолетавплотьдодлиныволны200 нм.Разработкаp-n переходов для материалов с большой концентрацией алюминия, необходимыхдля работы инжекционных лазеров, является достаточно сложной проблемой.Поэтому, использование электронного пучка для накачки подобных структуроказывается весьма перспективным. Имеются сообщения о достижении среднеймощности излучения 100 мВт на длине волны 240 нм при использовании структурна основе AlGaN с накачкой электронным пучком с энергией 8-10 кэВ [81, 82].Ниже приведены результаты выполненных нами расчѐтов и данныеэкспериментов для структур на основе AlGaN.Тестовые AlGaN наногетероструктуры с высоким содержанием Al (выше30%) на стандартных c-Al2O3 подложках, содержащие активную область в видеодной или нескольких QW с толщинами ~3 нм, были выращены методоммолекулярно-пучковой эпитаксии в ФТИ им.

А.Ф. Иоффе. Методами численногомоделирования нами исследовано влияние основных параметров AlGaN-структур115на параметры излучательной рекомбинации. Расчѐты проводились в соответствиис моделью, описанной в Главе 2.Для оптимизации лазерных структур на основе AlGaN с электроннолучевой накачкой, предназначенных для получения генерации в УФ-областиспектра, были рассчитаны распределения неравновесных носителей заряда поглубине структуры, эффективность сбора носителей в квантовых ямах и значенияпороговой плотности тока накачки.

При расчетах учитывалась диффузиянеравновесных носителей, дрейф носителей за счет разницы ширины положенияэнергетическихуровнейвразныхслояхструктуры,распределениеэлектромагнитного поля в резонаторе лазера, пространственная неоднородностьнакачки при различных значениях энергии пучка.Расчѐты распределения неравновесных носителей заряда по глубине иэффективность их сбора в квантовых ямах, проводились для структуры С409(Рисунки 50, 51), представляющей собой Al0.49Ga0.51N волновод общей толщинойоколо 143 нм с ассиметрично расположенными в нѐм тремя квантовыми ямамиAl0.39Ga0.61N шириной по 3 нм, ограниченный сложной конструкцией из слоѐвAlхGa1-хN с разной концентрацией Al.Характеристики слоѐв структуры, используемые при расчѐтах, такие какдлина диффузии L, коэффициент диффузии D, время жизни носителей τ,показатель преломления n и эффективный потенциал U, связанный с разнойшириной запрещенной зоны Eg в разных слоях структуры, приведены в Таблице 6[80, 74].11680 нмWaveguide Al0.49Ga0.51N3QW Al0.39Ga0.61N (3 нм)/40 нмAl0.49Ga0.51N (7 нм)Cladding Al0.66Ga0.34N (750 нм)Al0.77Ga0.23N (300 нм)1,7 нмLT–AlN(30nm)SL {AlN/AlGaN}30HT-AlN (250 нм)Рисунок 50.

Примерная схема структуры для УФ- диапазона.14Boundariesof the waveguideenergy losses,nJ/(m*electron)122keV10QW8Cladding Al0.66Ga0.34N67keV10keV415keV220keV5keV0080160240320400480560640720800880960X,nmРисунок 51. Схема структуры С409 и распределение потерь энергии электронов поглубине структуры.117Значения эффективного потенциала определялись по формуле U  Ege,где  - подвижность носителей. Использовалась следующая зависимость ширинызапрещенной зоны Eg в материале AlxGa(1-x)N от концентрации алюминия x притемпературе Т= 300 К [83]Eg (Al xGa1 x N)  6,13x  3,42(1  x)  bx(1  x) , b=1,08 эВДля x = 0,49 (материал волновода, см. Таблицу 6), Eg= 4,48 эВ при Т= 300 К,что соответствует длине волны около 277 нм.

Для x= 0,39 (материал квантовойямы) при Т=300 К ширина запрещенной зоны Eg= 4,22 эВ, что соответствуетдлине волны около 294 нм (без учета сдвига длины волны за счет эффектаразмерного квантования).Таблица 6D, м2/сL, мкмτ, нсU, м2/сn1(Al0.49Ga0.51N)9,4×10-50,170,30-0,0072,72(Al0.39Ga0.61N)QW18,0×10-50.170,36-0,0122,73(Al0.66Ga0.34N)1,3×10-40,170,202,44(Al0.77Ga0.23N)1,9×10-40,170,150,0042,40,001Характеристикаслоя5(AlN)0,170,030,0092,46(Al0.39Ga0.61N)QW28,0×10-50,170,36-0,0122,77(Al0.39Ga0.61N)QW38.0×10-50,170,36-0,0122,7Значения показателей преломления n в этой таблице, соответствующиезначениямширинызапрещѐннойзоныкомпонентногосоставатройныхсоединений, были взяты из работы [84].Энергия кванта излучения в максимуме линии люминесценции, согласно[84], меньше энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны, на 2-5 мэВТаким образом, в исследуемой структуре при Т= 300 К можно ожидать наличие118линий излучения с длинами волн около 280 нм (излучение волновода) и более294 нм (излучение квантовых ям).Для определения времени жизни носителей и их подвижности в слояхAlхGa1-хN с различным содержанием Al, были взяты значения этих параметров дляGaN и AlN и пересчитаны для тройного соединения в предположении линейнойзависимости параметров от концентрации Al.

Время жизни носителей и ихподвижность в GaN и AlN соответствуют данным [80, 74]. Коэффициентыповерхностной рекомбинации на всех внутренних границах принималисьравными s  10 м/с, на свободной границе s  10000 м/с.На Рисунке 52 представлен пример вычисленной нами зависимостипространственного распределения концентрации неравновесных носителей n(x) вструктуре С409 при энергии электронов накачки 10 кэВ, пространственноераспределение потерь энергии электронного пучка dE/dx при указанной энергии, атакже распределение основной моды электромагнитного поля (моды болеевысоких порядков не возбуждаются при данных параметрах волновода).n(x)1,41,2Y , arb.un.1,00,80,60,4dE/dx,10keV0,23mode1210,002004006008001000X ,nmРисунок 52.

Пространственное распределение концентрации неравновесных носителей,вычисленное при накачке структуры электронами с энергией 10 кэВ (кривая 1). Кривая 2 –распределение по глубине структуры энергии электронов накачки. Кривая 3 –распределение поля основной моды в волноводе.119Координата x= 0 соответствует поверхности структуры, квантовые ямы QWрасполагаются на глубине x1= 80 нм (QW1), x2= 90 нм (QW2 ) и x3= 100 нм (QW3).Из Рисунка 52 видно, что неравновесные носители, возникающие в структуре засчет диффузии и дрейфа в поле эффективно собираются в активных слояхструктуры. Заметим, что носители в основном собираются в квантовых ямах,концентрацияносителейвкоторыхнаодин-двапорядкапревышаетконцентрацию носителей в остальных слоях структуры (на Рисунке 52 верхниечасти вертикальных отрезков n(x) при x1= 80 нм (QW1), x2= 90 нм (QW2) иx3= 100 нм (QW3) лежат значительно выше рамок рисунка).На Рисунке 53 представлены зависимости эффективности сбора носителей вквантовых ямах от энергии электронов.

Под эффективностью сбора носителейпонималось отношение концентрации носителей в соответствующей яме ксуммарной концентрации во всех слоях структуры.1.00.9C409var,Xqw=80nm0.8efficiency0.70.60.50.40.3QW3, C4090.20.1QW1, C4090.0QW2, C4090246810121416182022E, keVРисунок 53. Энергетические зависимости эффективности сбора носителей вразличные квантовые ямы структуры С409(нижние кривые). Верхняя криваярассчитана для волновода тех же размеров, но с одиночной квантовой ямой,расположенной на глубине 80 нм.Из Рисунка 53 следует, что с ростом энергии пучка и увеличением глубиныего проникновения в структуру перераспределяется эффективность сбора вразличные квантовые ямы.