Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 4

Генерация с пороговой плотностьютока до 3,5 А/см2 (энергия электронов при поперечной накачке составляла30-45 кэВ, при температуре 80 К), была получена при использовании пленокZnSe/GaAs, выращенных методом газофазного синтеза из элементоорганическихсоединений [42].Впервые об использовании сверхрешетки ZnSe/ZnSSe для лазеров снакачкой электронным пучком сообщается в работе [10]. При Т= 300 К пороговаяплотность тока оказалась равной 5 А/см2 на пленках ZnSe и 12 А/см2 - прииспользовании сверхрешетки (35 кэВ, поперечная накачка).

Применение вкачествеактивныхэлементовквантоворазмерныхструктурсплавноизменяющимся показателем преломления в волноводном слое, а такжеиспользование малогабаритных источников электронов с автоэмиссионнымикатодами позволило изготовить компактные лазеры, работающие при энергияхпучка 7-10 кэВ в ближнем инфракрасном диапазоне (структуры CdTe/CdMnTe иGaAs/GaAlAs) при температурах 90-300 К [11] и в сине-зеленом диапазоне - прикриогенном охлаждении образцов (структуры ZnCdSe/ZnSe) [13, 14].Была изготовлен малогабаритный отпаянный прибор - сканирующий лазер споперечной накачкой на основе структуры AlGaInP-GaInP со средней мощностьюдо 20 мВт в красной области спектра, работающий при Т= 300 К [12].Использовании глубокого криогенного охлаждения (Т=20 К) структур сZnCdSe квантовой ямой позволило получить генерацию с минимальнойпороговой плотностью мощности накачки 450 Вт/см2 при энергии электронногопучка 5 кэВ [15].Применение квантоворазмерных ZnSe- содержащих структур со встроеннойв волновод сверхрешеткой позволило значительно улучшить их качество,благодаря чему удалось получить генерацию в сине-зеленом диапазоне спектра19при комнатной температуре при использовании для накачки электронов сэнергией8–25 кэВ [16-18].

Лазерные структурывыращивались методоммолекулярно-пучковой эпитаксии на подложках из арсенида галлия. При этомиспользовались структуры как с расположенной в волноводе ZnCdSe- квантовойямой, так и структуры с ZnSe- квантовой ямой, в центре которой размещался слойCdSe квантовых точек. Ранее в лазерах с оптической накачкой на основе такихструктур был получен чрезвычайно низкий порог генерации - около 4 кВт/см2[43].Применение многослойных квантоворазмерных структур в лазерах спродольной накачкой позволило уменьшить рабочую энергию электронногопучкадо30 кэВ[9].Наиболееисследованнойквантоворазмернойгетероструктурой, излучающей в зелѐной области спектра при комнатнойтемпературе, являются структуры ZnCdSe/ZnSe.

Об использовании в лазерах спродольной накачкой электронным пучком структуры ZnCdSe/ZnSe впервыесообщалось в работе [44]. В последующих работах характеристики лазеров наоснове ZnCdSe/ZnSe были существенно улучшены [9, 45, 46]. Достигнутыезначения порога генерации были меньше порога генерации в лазерах смонокристаллической активной областью, особенно при энергиях пучка менее40 кэВ.Для уменьшения рабочей энергии электронов естественно использоватьпоперечную геометрию накачки, при которой длина усиливающей средыопределяется геометрическими размерами образца (Рисунок 1).20Рисунок 1.

Схема лазера с поперечной геометрией накачкиВ лазерах с поперечной накачкой пучок электронов направляется на одну изгранейобразца,имеющегоформупрямоугольногопараллелепипеда,противоположные грани которого сделаны строго параллельными (путѐмполировки или скалывания по плоскостям спайности) и образуют резонаторФабри-Перо. Проникая в кристалл на глубину, зависящую от материала кристаллаи энергии электронов в пучке, быстрые электроны тормозятся и образуют лавинунеравновесных носителей – электронов и дырок. При определѐнной концентрацииносителей в возбуждѐнной области кристалла возникает инверсия населенности.Отражение части световой волны от граней кристалла позволяет создатьобратную связь и получить генерацию в направлении нормали к плоскостизеркал, то есть перпендикулярно падающему электронному пучку. Размерактивной области при этом определяется сечением электронного луча игеометрическими размерами образца [1, 2].В первых работах по полупроводниковым лазерам с возбуждениемэлектронным пучком использовалась именно поперечная геометрия накачки[19, 20, 31, 32, 47, 48].

Из приведѐнного выше обзора следует, что использованиегетероструктур позволяет уменьшить рабочую энергию электронного пучка.21Одной из основных задач диссертации являлось проведение расчѐтов пооптимизации конструкции лазерных структур для создания низкопороговых синезеленых лазеров с накачкой электронным пучком.Предельная импульсная выходная мощность лазеров с электронно-лучевойнакачкой ограничена разрушением активного элемента [1]. Для повышениямаксимальной мощности необходимо увеличивать объем активной среды, а такжеплощадь выходного торца лазера, что возможно при поперечной схеме накачкипри использовании относительно толстых структур. С ростом толщины структурыприходится увеличивать энергию электронного пучка, так как с ростом энергиипучка увеличивается глубина его проникновения в образец. Чтобы обеспечитьэффективный сбор носителей в активных областях толстых структур, приходитсяиспользовать несколько активных слоев.

Для эффективного использованияструктур с множественными квантовыми ямами также необходимо решениевопросов оптимизации их конструкции, согласование конструкции структуры спараметрами накачки.Заметим, что для работы излучателей с накачкой электронным пучком нетребуется наличие p-n перехода, создание которого в ряде материалов затруднено.Поэтому при таком методе накачки возможно значительное расширениеспектрального диапазона работы устройств, в частности, продвижение вультрафиолетовый диапазон.Источникиультрафиолетового(УФ)излученияиспользуютсядлябиомедицинских исследований и фототерапии различных заболеваний, вустройствах обеззараживания воды и других сред, в спектроскопии, вфотолитографии, в приборах обнаружения биологически вредных веществ, всистемах оптической локации и связи и др.

Существующие источники УФ восновном используют излучение либо газового разряда (лампы, лазеры, в томчислеэксимерные),либосинхротронноеизлучение.Этиприборыхарактеризуются большими габаритами, высоким энергопотреблением и, крометого, нередко обладают строго фиксированным спектральным составом и далеко22не всегда удовлетворяют потребностям техники. В конструкции газоразрядныхламп всегда присутствует экологически опасная ртуть. В связи с этим во всеммире ведутся поисковые работы, направленные на создание компактныхэффективных источников УФ-излучения с заданной длиной волны.В течение последнего десятилетия наблюдается существенный прогресс втехнологии выращивания полупроводниковых соединений и наноструктур,позволяющих получать излучение в УФ диапазоне. Для этой цели наиболееперспективными являются структуры на основе широкозонных соединенийнитридов галлия и алюминия, а также оксидов и сульфидов цинка и магния.

В2006 г. c помощью оптической накачки соединения AlN продемонстрированалазерная генерация с минимальной для полупроводниковых материалов длинойволны λ= 214 нм [49], а в 2008 г. в Японии разработан инжекционный лазер нананогетероструктуре AlGaN с минимальной для лазерных диодов длиной волныизлучения 336 нм [50]. Однако дальнейшее продвижение в коротковолновыйдиапазон происходит крайне медленно. Получение УФ-лазерного излучениявозможно за счет использования электронно-лучевой накачки монокристалловили относительно простых гетероструктур без р-n переходов и каких-либоконтактов.

Этот подход позволяет получать люминесценцию как различныхполупроводников, так и соединений с большой шириной запрещенной зоны,которые считаются диэлектриками. Спектр излучения широкозонных материаловAlGaN лежит в широкой спектральной области с длиной волны менее 400 нм додиапазона глубокого УФ (<300 нм) c минимально возможной длиной волны210 нм (AlN).Расчет параметров полупроводниковых излучателей с электронно-лучевойнакачкой, и, в частности, порога генерации лазеров на основе полупроводниковыхмонокристаллов с поперечной накачкой, проводился в работах [51, 52]. Показано,что за счет пространственной неоднородности накачки в лазерах такого типавозникает специфический вид потерь, названных конфигурационными, которыйсвязан с проникновением поля электромагнитной волны в пассивную область23лазерного кристалла.

Устранить эти потери можно за счет использованиягетероструктур, в которых за счет использования многослойной структурыобразуется волновод, в котором в основном и локализуется поле световой волны.В работах [32, 34] проводились исследования характеристик лазеров ИКдиапазона с поперечной накачкой на основе волноводных структур с двумя илитремяслоями.Показано,чтоиспользованиегетероструктурпозволяетзначительно уменьшить зависимость пороговой плотности тока лазера от энергииэлектронов накачки.В работе [37] на основания решения уравнений диффузии и дрейфа вовстроенной внутреннем электрическом поле проведены расчеты распределенияносителей в трехслойной структуре, а также в варизонной структуре. Показано,что при использовании таких структур возможно обеспечить эффективный сборносителей в активном слое, удаленном от поверхности.

За счет этогопредлагалось значительно снизить влияние поверхностной рекомбинации, а такжеуменьшить значения пороговой плотности тока электронного пучка.Из выполненных оценок следовало, что для лазеров с поперечной накачкойна основе структур GaPAs ожидалось уменьшение пороговой плотности токапримерно на один-полтора порядка. Это было подтверждено экспериментами, вкоторых исследовались лазеры при температуре образцов 85 К с накачкойэлектронами с энергией 50 кэВ. В работе [39] описаны эксперименты и расчетызависимости пороговой плотности тока от энергии электронов накачки длялазеров на основе многослойных структур GaAs/GaAlAs с поперечной накачкойэлектронным пучком. Распределение носителей рассчитывалось на основеуравнения диффузии, в отдельных случаях (в случае варизонного волновода сплавно изменяющемся показателем преломления) учитывался дрейф носителей вовстроенном электрическом поле.