Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 3

Представленытакже результаты расчѐтов излучательных характеристик полупроводниковыхструктур с множественными квантовыми ямами.Ввосьмойглавеприводятсярезультатырасчѐтовхарактеристикполупроводниковых структур для УФ- и ИК-диапазонов.В заключении формулируются основные результаты работы.Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались намеждународных и всероссийских конференциях:1.

International Conference ―Laser Optics‖. -2006, -2008, -2010, -2012, -2014.- St.Petersburg, Russia.2. 14th International Conference on II-VI Compounds. -August 23-28, 2009.-St. Petersburg, Russia.3. International Symposium ―Nanostructures: Physics and Technology‖. -2006,-2009, -2011.4. Belarusian–Russian Workshop ―Semiconductor Lasers and Systems‖. -2007,-2009, -2011, -2013, -2015. -Minsk, Belarus.5.

XII Международнаянаучно-техническаяконференция«Высокиетехнологии в промышленности России».- 7-9 сентября 2006. -Москва, ОАОЦНИТИ «ТЕХНОМАШ».6. VIII, IX Российская конференция по физике полупроводников -2007, -2009.7. 17th International Conference on II-VI Compounds and Related Materials. -2015,-Paris, France.8. 10th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling(LFNM’2010).-2010.- Sevastopol, Crimea, Ukraine.9. 4-й Всероссийскийсимпозиумсмеждународнымучастием«Полупроводниковые лазеры: физика и технология».

- 2014 . - СанктПетербург, Россия.1310. 12th International Conference on Fiber-Optical Networks Modeling LFNM’2013.– 2013.- Sudak, Ukraina.11. Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия –структуры и приборы».- 2013.-Москва.ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 33 работы, из которых 12 вреферируемых журналах (10 в журналах из списка ВАК) и 21 в сборниках трудовконференций.Личный вклад соискателяАвтор принимала участие в разработке и отладке программ, используемыхдля расчѐтов распределений концентраций неравновесных носителей заряда,распределения поля в резонаторе, зависимостей пороговой плотности тока отэнергииэлектронов.Авторомпроведенырасчѐтыпространственногораспределения неравновесных носителей в различных гетероструктурах при ихнакачкеэлектроннымпучком,зависимостейпороговыххарактеристикизлучателей от энергии электронов накачки и параметров структур. Принепосредственном участии автора проведены экспериментальные исследованиязависимостей пороговой плотности тока от энергии электронов для излучателейзелѐного и ИК-диапазонов.14ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫЛазеры с электронно-лучевой накачкой на основе полупроводниковыхмонокристаллов известны уже более четырех десятилетий [1]. Впервые генерациякогерентного излучения в полупроводниковом лазере на основе монокристалловсульфида кадмия, выращенных из паровой фазы, при возбуждении пучкомускоренных электронов была получена в Физическом институте АН СССРим.

П.Н. Лебедева в 1963 году [19-21]. Теоретические и экспериментальныеисследования полупроводниковых лазеров с электронной накачкой былиобобщены в монографии [1].Использование электронного пучка для накачки полупроводниковыхлазеров позволяет управлять параметрами лазерного излучения путѐм управленияэлектронным лучом. Это делает возможным изготовление лазеров, в которыхвозможнаширокополоснаяамплитуднаямодуляцияизлучения,быстроесканирование диаграммой направленности, управление длиной волны генерации.В настоящее время в лазерах с электронно-лучевой накачкой получена генерацияв диапазоне длин волн от 0,33 мкм до 30 мкм [1, 22].

Длина волны излучениятаких лазеров определяется в основном выбором материала активного элемента.В силу того, что для лазеров с накачкой электронным пучком не требуетсяналичие p-n перехода, возможности выбора полупроводникового материалавесьма велики - можно использовать как бинарные кристаллы (CdS, ZnSe, ZnO ит.д.), так и их твердые растворы (AlGaAs, CdSSe, ZnCdSe, ZnMgO и т.д.).

Этопозволяет получать излучение на любой заданной длине волны в диапазоне от УФдоИКобластиспектра[1, 22].Предельнаявыходнаямощностьполупроводниковых лазеров определяется стойкостью зеркал и самого материала,поэтому предельная выходная мощность излучения зависит от площадиизлучающего элемента.

Предельная эффективность преобразования энергииэлектронного пучка в свет может составлять ~30% (по отношению к энергии15электронногопучка–источниканакачки)[1, 22].Принакачкеполупроводниковых лазеров электронным пучком неравновесные носителизаряда образуются в результате ионизации атомов кристаллической решѐтки засчѐт энергии электронного пучка [1, 20]. Такой способ накачки позволяетсравнительнолегкополучатьдостаточнуюконцентрациюнеравновесныхносителей в активной области и создать условия, необходимые для реализациирежима генерации.Существуют две модификации лазеров с накачкой электронным пучком,которые условно можно назвать лазерами с продольной и поперечной накачками[1].В лазерах с продольной накачкой возбуждение производится через одно иззеркал резонатора практически вдоль его оси, излучение лазера направлено вдольэлектронного пучка накачки. При продольной геометрии накачки электроннымпучком однородных полупроводниковых монокристаллов длина активнойобласти кристалла определяется глубиной проникновения электронного пучка вобразец, которая, в свою очередь, уменьшается при снижении энергииэлектронов.В лазерах с поперечной геометрией накачки длина усиливающей средыопределяется геометрическими размерами образца.В лазерах с продольной накачкой электронным пучком реализованыразличныеимпульсныйрежимы[1, 2],работы:квазинепрерывныйнепрерывный.[23, 24].(режимНаибольшеесканирования),распространениеполучили две основные разновидности лазеров с накачкой электронным пучком:квазинепрерывные сканирующие лазеры и импульсные лазеры.

В импульсныхмногоэлементных лазерах с электронно-лучевой накачкой уровень импульсноймощности может достигать 20 МВт при энергии светового импульса 250 мДж[25]. В сканирующих лазерах с продольной накачкой достигнута средняямощность в квазинепрерывном (сканирующем) режиме ~ 40 Вт при криогенном16охлаждении кристалла и несколько Вт при комнатной температуре образцов иплотности тока ускоренных электронов в десятки А/см2 [5, 9].Высокиевозможностьзначенияихвыходнойиспользованиямощностивтакихразличныхлазеровобусловилиустройствах.Некоторыевозможности применений полупроводниковых лазеров с накачкой электроннымпучком представлены в статье [3]. Лазеры с импульсной мощностью в несколькомегаватт перспективны для диагностики быстропротекающих процессов, длясистем посадки летательных аппаратов и проводки судов, для систем наблюденийв условиях плохой видимости [3].

Квазинепрерывные сканирующие лазеры спродольной накачкой разрабатывались для проекционных систем отображенияинформации на большом экране [3, 5, 13, 26-30].Тем не менее, широкого распространения системы с использованиемлазеров с электронно-лучевой накачкой не получили. Высокие значения энергииэлектронного пучка (обычно 200-300 кэВ), используемого для накачки мощныхимпульсныхлазеровданноготипа,являютсявесьманеудобнымиинебезопасными для практического использования. Использование высокихнапряжений неизбежно приводит к увеличению размеров устройства иусложнению его конструкции. При использовании лазеров с электронно-лучевойнакачкой необходимо учитывать наличие сопутствующего рентгеновскогоизлучения.

Так как защита от излучения не представляет затруднений приэнергиях электронов, не превышающих примерно 30 кэВ, особый интереспредставляетразработкалазеров,работающихприневысокихрабочихнапряжениях.Достигнутые к настоящему времени максимальные значения импульсной(десятки мегаватт) и средней мощности (десятки ватт) получены прииспользованиидляизготовленияактивныхэлементовлазеровполупроводниковых монокристаллов.

В то же время в силу того, что толщинаактивного слоя полупроводника в таких лазерах, определяемая глубинойпроникновения электронного пучка в кристалл, как правило, составляет не более17несколькихединицилидесятковмикрон,естественноиспользоватьэпитаксиальные слои или гетероструктуры. В последние десятилетия благодаряуспехамвосвоениитехнологиивыращиваниясовершенныхтонкихмонокристаллических слоев появилась возможность изготовления структур илазеров с электронно-лучевой накачкой на их основе, работающих при комнатнойтемпературе с низкими порогами при относительно невысоких уровнях энергииэлектронного пучка.Впервыеобиспользованиигетероструктурвлазерахснакачкойэлектронным пучком сообщается в 1971 году [31-34]. Чтобы уменьшитьдиффракционные потери использовались волноводные структуры.

Показано[31, 33], что разница показателей преломления, образующаяся в области p-nперехода в арсениде галлия, достаточна для образования эффективного волноводане только для инжекционных лазеров, но и для лазеров с электронно-лучевойнакачкой. При этом, наличие волноводного слоя приводит к значительномуснижению пороговой плотности тока jп и уменьшению ее зависимости от энергииэлектронов [32]. Генерация наблюдалась при накачке электронами с энергией 12 –50 кэВ. Улучшение качества структур привело к дальнейшему улучшениюпараметров лазеров. В лазерах на пленках GaAs на подложке GaAlAs былидостигнуты значения jп = 0,15-0,2 А/см2 (Т= 80 К, Е0= 50 кэВ) [35].

Использованиепленок GaAs с двойным легированием [36] позволило снизить пороговуюплотность тока до 0,1 А/см2 при Т=85 К и до 1,5 А/см2 при комнатнойтемпературе, генерация была получена при энергии пучка 20 кэВ (Т=300 К) и9 кэВ (Т=85 К). Были выполнены расчеты параметров лазеров на основеваризонных гетероструктур [37], а также двумерных варизонных структур [38], изкоторых следовала возможность снижения jп на 1–3 порядка.

Впервые былоустановлено, что использование гетероструктур может не только снизить потерисветовой волны, но и уменьшить влияние поверхностной рекомбинации вструктурах с внешним широкозонным слоем за счет ограничения диффузионногодрейфа носителей к поверхности образца [37, 39].18В сине-зеленом диапазоне спектра генерация впервые получена наэпитаксиальных пленках ZnSe с накачкой электронным пучком [40, 41],пороговая плотность тока составила 4,5 А/см2 при Т~ 80 К и 42 А/см2 приТ= 300 К при энергии электронов 50 кэВ [41].