Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 17

Эффективность сбора для первой (ближайшей к120поверхности) ямы падает с ростом энергии электронов. Энергетическаязависимость эффективности сбора в наиболее удалѐнную яму имеет максимумпри энергии пучка 10 кэВ, т.е. когда положение данной ямы совпадает сположением максимума кривой потерь энергии для электронного пучка сэнергией 10 кэВ. Таким образом, конструкция структуры должна бытьсогласована с предполагаемой энергией накачки.Используемаямодельпозволяетоценитьвлияниеколичестваирасположения квантовых ям в волноводе на величину пороговой плотности токалазера с учетом распределения поля различных типов колебаний.На Рисунке 53 приведены результаты сравнения эффективности сбора вструктурах с одинаковым волноводом, но с тремя и одной квантовой ямой в нем.Видно, что при любых значениях энергии электронов эффективность в структурес одной ямой превышает эффективность сбора в любую из трех квантовых ям длямногоямной структуры.На Рисунке 54 представлены зависимости порога генерации от энергииэлектронов для одноямной структуры и структуры с тремя квантовыми ямами.2.01.81.6Jth,arb.un.1.41.21.00.8QW-30.6QW-10.40.20.005101520E,keVРисунок 54.

Зависимости пороговой плотности тока от энергии электронов накачки дляструктуры с одной (QW-1) и тремя (QW-3) квантовыми ямами.121Видно, что порог генерации при всех исследуемых значениях энергииэлектронного пучка для структуры с одной квантовой ямой меньше, чем дляструктуры с тремя квантовыми ямами. Это связано с тем, что расстояние междуквантовыми ямами меньше длины диффузии.На Рисунке 55 приведены зависимости пороговой плотности тока лазера отрасположения квантовой ямы в волноводе для различных энергий электроновнакачки в структуре с одной квантовой ямой.

При изменении координаты ямы впределах от 20 до 100 нм при данной толщине волновода независимо отрасположения квантовой ямы минимальные значения пороговой плотности токадостигаются при энергии пучка в 10 кэВ. Увеличение значения пороговойплотности тока при энергиях пучка менее 5 кэВ, по-видимому, связано с тем, чтопри малых энергиях глубина проникновения пучка в структуру меньше длиныдиффузии носителей в слоях структуры.

Рост пороговой плотности тока приэнергиях более 15 кэВ связан с тем, что значительная часть энергии пучкаJth,arb.un.расходуется за пределами волновода.3.02.82.630keV2.42.22.01.81.6 20keV1.4 7keV1.21.00.80.60.4205keV10keV406080100Xqw,nmРисунок 55. Зависимости пороговой плотности тока от расположения одиночнойквантовой ямы при различных энергиях электронного пучка.122На Рисунке 56 представлены спектры катодолюминесценции образцаструктуры С409, излучаемые с его поверхности (по углом около 45 градусов).Спектры получены при разных температурах при диаметре накачиваемой областиобразца 2 мм.Из Рисунка 56 видно, что интенсивность коротковолновой линии (280 нм)сравнима с интенсивностью линий, связанных с квантовыми ямами.

Это говорит онедостаточно высокой эффективности сбора носителей в квантовых ямах,связанной, по-видимому, с дефектностью структуры. Так как при регистрацииспектров с плоскости излучение из каждой точки структуры проходит внутри неелишь очень малое расстояние (порядка толщины волновода, т.е. около 200 нм)перепоглощение внутри структуры в этом случае не искажает формы спектров.0,72T=11K, J=0.55A/cm2T=55K, J=0.6A/cm2T=60K, J=0.6A/cm2T=100K, J=0.5A/cm2T=140K, J=0.55A/cm0,6Уровень сигнала, В0,50,40,30,20,10,0240026002800300032003400Длина волны. АРисунок 56. Спектры катодолюминесценции, зарегистрированные с поверхностиобразца при различных температурах (изменение температуры от 11 К до 140 К сшагом около 40 К), Е0= 8 кэВ, j = 0,5-0,6 А/см2.Из эксперимента (Рисунок 56) следует, что интенсивность излучения изквантовых ям (длина волны около 300 нм) примерно в 2 раза превосходитинтенсивность излучения волновода (длина волны 280 нм).

Предполагая, чтоинтенсивность излучения слоѐв пропорциональна концентрации носителей в123соответствующих слоях, можно сравнить вычисленные значения концентраций снаблюдаемымиэкспериментальнымиданными.Интенсивностьизлученияквантовых ям и волноводного слоя определяется эффективностью сбораносителей в этих слоях.Из расчета (Рисунок 53) следует, что при выбранных значениях параметровструктуры при энергии электронов накачки 8 кэВ в квантовых ямах собираетсяпочти 90% носителей (т.е в волноводе находится менее 10% от общего числаносителей).

Соответственно, интенсивность излучения квантовых ям должна покрайней мере на порядок превышать интенсивность излучения материалаволновода, что противоречит экспериментальным данным (Рисунок 56).При расчетах можно в широких пределах варьировать параметры материаласлоев. Лучшего согласия результатов расчѐта и эксперимента удается добиться впредположении,чтовматериалеAl0.49Ga0.51Nволноводавремяжизнинеравновесных носителей и длина диффузии на порядок меньше, чем в активнойобласти (квантовых ямах).На Рисунке 57 представлены зависимости эффективности сбора носителей вквантовых ямах и в волноводном слое от энергии электронов накачки для новыхзначений параметров материала волновода. Из рисунка 57 видно, что при малыхзначениях энергии электронов заполняется только ближайшая к поверхностиквантовая яма.

При энергиях, больших 8-10 кэВ большая часть неравновесныхносителей находится в третьей, наиболее удаленной от поверхности квантовойяме. При энергии электронов накачки 8 кэВ эффективность сбора (и,соответственно, концентрация) носителей в двух крайних ямах близки друг кдругу. Соответственно, интенсивности излучения двух крайних квантовых ямдолжны не сильно отличаться.1240.8waveguide0.70.6efficiency0.5Xqw1=80nm0.40.3Xqw3=100nm0.20.1Xqw2=90nm0.00246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E,keVРисунок 57. Энергетические зависимости эффективности сбора носителей в волноводе и вразличных квантовых ямах.

Длина диффузии и время жизни в материале волноводауменьшены в 10 раз. Около кривых указаны расстояния квантовых ям от поверхностиструктуры.В спектре излучения (Рисунок 56) интенсивности линий 310 нм и 300 нмслегка отличаются. По-видимому, эти линии соответствуют излучению двухкрайних (первой и третьей) квантовых ям, которые излучают на разных длинахволн из-за различия в ширине или составе этих слоев. Из расчета следует, что вволноводном слое при энергии электронов 8 кэВ находится около 12% от общегочисла носителей, а в крайних квантовых ямах – около 30% в каждой (Рисунок 57).Таким образом, высота пиков излучения квантовых ям должна быть в 2-2,5 разабольше высоты пика, соответствующего излучению волновода, что практическисоответствует эксперименту (Рисунок 50).

Использование уменьшенных значенийвременижизниидлиныдиффузиивволноводномпредположением о наличии дефектов в этом слое.слоеобусловлено1258.2 Расчѐты характеристик полупроводниковых структур для ИК-диапазонаСтруктуры на основе AlGaAs/GaAs давно используются в лазерах иразличных оптоэлектронных устройствах, благодаря хорошему согласованиюпараметров решѐток. Исследованию таких структур и лазеров с поперечнойнакачкой электронным пучком на их основе посвящено большое количестворабот, например [1, 39, 33, 34, 85]. В то же время работ по исследованию работытаких устройств с использованием квантово-размерных структур очень мало [11].Ниже представлены результаты расчѐта на основе описанной в Главе 2 модели.Первоначально в нашем распоряжении имелась структура S2495, схемакоторой вместе с пространственным распределением в кристалле GaAs потерьэнергии электронов накачки представлена на Рисунке 58.

В лазере с накачкойэлектронным пучком на основе этой структуры достигнут уровень выходноймощности 90 Вт с одного лазерного элемента при энергии электронов 26 кэВ,Энергетические потери,нДж/(м*электрон)минимальная рабочая энергия электронов составила 15 кэВ [80].AlyGa1-yAsAlyGa1-yAs6AlxGa1-xAs4GaAsInGaAs QW25keV10keV26keV20keV15keV00400800120016002000X,нмРисунок 58. Схема полупроводниковой структуры S2495 (x= 0,32, y= 0,39) ипространственное распределение в кристалле GaAs потерь энергии электронов накачкипри энергии 5, 10, 15, 20, 26 кэВ.126Из Рисунка 58 видно, что при значении энергии электронов накачки менее10 кэВподавляющаячастьэнергиинакачкипоглощаетсявовнешнемширокозонном слое AlGaAs.

Как следует из расчѐтов, проведѐнных для ZnSeсодержащих структур, размер внешнего ограничивающего слоя оказываетопределяющее влияние на величину пороговой плотности тока, особенно прималых значениях энергии электронов накачки.Нами были сделаны рекомендации по оптимизации конструкции структуры,в соответствии с которыми в НИИ «Полюс» была выращена структура d1686 суменьшенной до 30 нм толщиной внешнего слоя, схема которой изображена наРисунке 59.Al0.41Ga0.59As8energy losses,nJ/(m*electron)Al0.27Ga0.73As6GaAs4226keV15keV10keV5keV20keV001002003004005006007008009001000X,nmРисунок 59. Схема структуры d1686.Характеристики слоев структуры d1686 следующие:барьер AlxGa1-xAs, x=0,41, d= 30 нм; волновод AlyGa1-yAs, y=0,27, d= 0,45 мкм;квантовая яма InzGa1-zAs, z= 0,2, d = 80 A для λфл= 893 нм; волновод AlyGa1-yAs, y= 0,27,d= 0,45 мкм; барьер AlxGa1-xAs, x= 0,41, d=0,62 мкм; буферный слой GaAs, d = 0,3 мкм;n – GaAs, d = 350 мкмБыли выполнены расчѐты зависимости пороговой плотности тока от энергииэлектронов накачки для лазеров на основе данной структуры.127Экспериментальная и расчѐтная зависимости (коэффициент поверхностнойрекомбинации на внешней границе s= 103 м/с) пороговой плотности тока отэнергии электронов накачки для лазера на основе структуры d 1686 представленына Рисунке 60.0,650,600,550,500,45J, А/см20,400,350,300,250,200,150,100,050,00220004400066000880001010000121200014140001616000E, keVА5Jth, arb.un.432102468101214E,keV16ВРисунок 60.