Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 2

В лазерах спродольной накачкой электронным пучком использование квантоворазмерныхгетероструктур позволило уменьшить рабочую энергию электронного пучка довеличины порядка 30 кэВ [9]. Однако уменьшение рабочей энергии электронногопучка до величин менее 10 кэВ в лазерах с продольной накачкой, по-видимому,вряд ли достижимо в связи с необходимостью использования зеркал с высокимкоэффициентом отражения [9]. Снизить пороговую плотность тока лазеров иуменьшить рабочую энергию электронов накачки можно, используя поперечнуюгеометрию накачки и квантоворазмерные полупроводниковые структуры [10-18].Однако, физические причины, определяющие предельно низкие значениярабочей энергии электронного пучка и эффективность преобразования энергииэлектронного пучка в энергию светового излучения, не выяснены.

Для снижениярабочей энергии электронного пучка необходимы всесторонние исследования,направленные на оптимизацию параметров гетероструктур и источников света наих основе.Цель работыЦелью данной диссертационной работы являлась оптимизация параметровквантоворазмерныхизлучательныхгетероструктур,характеристикпринаправленнаянаэлектронно-лучевойулучшениенакачке,аихтакжеисследование путей снижения рабочей энергии электронного пучка и пороговойплотности тока излучателей на основе исследуемых структур.7Задачи работы-проведение расчетов пространственного распределения концентрацииносителей в структурах различных типов при различных значениях энергииэлектронов – источников накачки;-исследование зависимости пороговой плотности тока от рабочей энергииэлектронов для лазеров различных спектральных диапазонов с поперечнойнакачкойэлектроннымпучкомнаосновеквантоворазмерныхполупроводниковых структур;-выработка рекомендаций по оптимизации конструкций ZnSe-содержащихгетероструктур для полупроводниковых лазеров сине-зелѐного диапазона споперечной накачкой электронным пучком, позволяющих работать принизких ускоряющих напряжениях;-экспериментальнаядемонстрациявозможностиуменьшениярабочейэнергии электронного пучка – источника накачки лазеров на основе ZnSeсодержащих гетероструктур;-оптимизация конструкций многослойных ZnSe-содержащих гетероструктурдля полупроводниковых излучателей с поперечной накачкой электроннымпучком, позволяющих получать высокие выходные мощности излучения;-проведение расчѐтов конструкций структур на основеAlGaAs/InGaAs дляизлучателей ИК-диапазона;-экспериментальнаядемонстрациявозможностиуменьшениярабочейэнергии электронного пучка – источника накачки лазеров ИК-диапазона;-проведение расчѐтов конструкций структур AlGaN для УФ излучателей,позволяющих уменьшить рабочую энергию электронного пучка.Научная новизна работы-При выполнении работы впервые получены следующие результаты:8-проведенырасчетыносителейвпространственногоZnSe-содержащихраспределенияквантоворазмерныхконцентрацииструктурахсосверхрешеткой при различных значениях энергии электронов накачки;-предложена модель расчета пороговой плотности тока полупроводниковыхлазеров с поперечной накачкой электронным пучком, учитывающаяпространственное распределение энергии накачки, дрейф и диффузиюнеравновесныхносителейвструктуре,атакжепространственноераспределение электромагнитного поля поперечных типов колебаний влазерном резонаторе;-проведены расчеты пороговых плотности тока и мощности накачки лазеровв зависимости от энергии электронов для структур различных типов сучетом как пространственного распределения неравновесных носителей,так и распределения электромагнитного поля различных мод в резонаторе;-сделаны расчеты зависимости пороговой плотности тока для излучателей наоснове структур с одиночными и множественными квантовыми ямами от ихрасположения в волноводе с учетом различного пространственногораспределения электромагнитного поля различных типов колебаний;-были сформулированы требования к конструкции гетероструктур длянизкопороговых и мощных излучателей с электронно–лучевой накачкой(состав, толщины слоев и т.д.);-на основе оптимизированных полупроводниковых структур полученагенерация лазеров в зеленой и ИК областях спектра при рекордно низкихзначениях энергии электронов накачки (менее 4 кэВ при Т=300 К) инамечены пути дальнейшего уменьшения энергии электронов.Теоретическая и практическая значимость работыПредложеннаямодельрасчетапороговойплотноститокаполупроводниковых лазеров с поперечной накачкой электронным пучком9учитывает как пространственное распределение энергии накачки, дрейф идиффузию неравновесных носителей в структуре, так и распределениеэлектромагнитного поля поперечных типов колебаний в лазерном резонаторе.Полученные в данной работе результаты и продемонстрированнаявозможность значительного (до значений менее 4 кэВ) уменьшения рабочейэнергииэлектронногоквантоворазмерныхпучказасчетгетероструктуриспользованияпозволяютоптимизированныхосуществитьразработкумалогабаритных отпаянных приборов – излучателей с электронно-лучевойнакачкой, которые могут найти применение в медицине и различных областяхтехники для диагностики быстропротекающих процессов, для систем посадкилетательных аппаратов и проводки судов, для систем наблюдений в условияхплохой видимости, оптической локации и т.дПолученные в работе научные результаты использовались при проведенииисследований в рамках отечественных и международных грантов, хоздоговоров,целевых программ Минобрнауки в 2007-2015 г.

в МИРЭА.Основные положения, выносимые на защиту-Результаты расчетов пространственного распределения концентрацииносителейвсверхрешеткой,ZnSe-содержащихвструктурахквантоворазмерныхGaAlAs/InGaAs/GaAs,структурахвсоструктурахGaN/InGaN/AlGaN при различных значениях энергии электронов накачки;-результаты расчетов зависимости интенсивности катодолюминесценцииZnSe-содержащих структур от энергии электронов накачки и их сравнение сэкспериментальными данными;-методика и результаты расчетов зависимости пороговой плотности токаэлектронного пучка от энергии электронов накачки для источников света наоснове квантоворазмерных полупроводниковых структур, позволяющихполучать излучение в ИК-, сине-зелѐном и УФ-диапазонах спектра;10-результаты расчетов зависимости пороговой плотности тока электронногопучка – источника накачки лазеров от параметров квантоворазмерныхполупроводниковых структур;-достижение режима генерации лазеров на основе ZnSe-содержащихквантоворазмерных структур, а также структур GaAlAs/InGaAs/GaAs прирекордно низких (менее 4 кэВ) значениях энергии электронов накачки приТ=300 К.-рекомендации по дальнейшему снижению рабочей энергии электроновнакачки в лазерах на основе квантоворазмерных полупроводниковыхструктур.Достоверность научных положений, результатов и выводовСогласиеполученныхрезультатоврасчѐтовинтенсивностикатодолюминесценции, зависимостей порогов генерации излучателей от энергииэлектронов с результатами эксперимента, а также соответствие полученныхзависимостей порогов генерации от параметров полупроводниковых структур симеющимися в литературе данными по лазерам с оптической накачкой нааналогичныхструктурахсвидетельствуютонаучнойобоснованностиидостоверности выводов диссертации.Структура и объём диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения исписка литературы.Во введении обоснована актуальность выбранной темы, излагаются цели изадачидиссертационнойработы,сформулированыосновныеположения,выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимостьполученных результатов, представлена структура диссертации.Первая глава представляет собой литературный обзор, в которомрассматривается современное состояние теоретических и экспериментальныхисследованийсветоизлучающихполупроводниковыхгетероструктурс11электронно-лучевой накачкой, проводимых в РФ и за рубежом.

Рассмотренылазеры с накачкой электронным пучком и приводится принцип их работы.Во второй главе описывается теоретическая модель, на основе которойпроизводились расчѐты распределения неравновесных носителей с учетомдиффузии и дрейфа носителей за счѐт внутреннего поля многослойной структуры.Рассмотрена модель расчѐта пороговой плотности тока лазеров с электроннолучевой накачкой с учѐтом пространственного распределения неравновесныхносителей и распределения электромагнитного поля в волноводе для различныхпараметров структур и значений энергий электронов накачки. Приводятсяпримеры расчѐта распределения поля в волноводе, проведѐнные в соответствии сданной моделью.Втретьейпространственныеглавеописываютсяраспределенияпотерьиспользуемыеэнергииприрасчѐтахэлектроноввполупроводниковых материалах, применяемых в излучателях с электроннолучевой накачкой.В четвѐртой главе приводятся результаты исследования зависимостиинтенсивности катодолюминесценции от параметров структур и энергииэлектронов накачки.В пятой главе приведены описания и характеристики исследуемыхполупроводниковых ZnSe–содержащих структур, приводятся результаты расчѐтовпространственного распределения концентрации неравновесных носителей зарядав различных типах структур.Вшестойглавеприводятсярезультатырасчѐтовзависимостиэффективности сбора носителей в активной области структуры, пороговыхзначений плотности тока и мощности накачки лазеров на основе ZnSeсодержащих полупроводниковых структур с одиночной активной областью отэнергии электронного пучка и качества границ слоѐв структуры.Вседьмойглавеприводятсярезультатырасчѐтовзависимостиизлучательных характеристик ZnSe-содержащих структур от их параметров,12таких как положение квантовой ямы в пределах волновода, размер волновода,ширины внешнего и внутреннего ограничивающих волновод слоѐв.