Диссертация (Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком), страница 9

вкладку наРисунке 12).ZnMgSSe - 10 nm14ZnMgSSe - 1200 nmSLвнутренняя граница волновода2,2102,01,8Ga As1,66QW1,41,2ZnMgSSe8dE/dx, arb.un.energy losses,nJ/(m*electron)121,00,80,6dE/dx(30keV)0,40,240,0-100001000 2000 3000 4000 5000 6000 7000X,nm202keV 5keV015keV10keV20keV100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200130014001500X,nmРисунок 12. Схема структуры с одиночной ZnCdSe квантовой ямой (QW) шириной 7 нми распределение потерь энергии электронного пучка по глубине структуры дляразличных энергий электронов накачки.

На вкладке приведена упрощѐнная схема тойже структуры на подложке и распределение энергетических потерь электронного пучкапри энергии 30 кэВZnMgSSe - 10 nm14ZnMgSSe - 1200 nmenergy losses,nJ/(m*electron)12SL1086QD4202keV 5keV015keV10keV20keV100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200130014001500X,nmРисунок 13. Схема структуры с ZnSe квантовой ямой с CdSe дробно-монослойнойвставкой в центре (QD) и распределение потерь энергии электронного пучка поглубине структуры для различных энергий электронов накачки.55ZnMgSSe - 10 nm14ZnMgSSe - 1200 nmenergy losses,nJ/(m*electron)12SL1086QW4202keV 5keV015keV10keV20keV100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200130014001500X,nmРисунок 14. Схема варизонной структуры с одиночной ZnCdSe квантовой ямойшириной 7nm и распределение потерь энергии электронного пучка по глубинеструктуры для различных энергий электронов накачки.ZnMgSSe - 10 nm14ZnMgSSe - 1200 nmenergy losses,nJ/(m*electron)12SL1086QD4202keV 5keV015keV10keV20keV100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200130014001500X,nmРисунок 15.

Схема варизонной структура с ZnSe квантовой ямой с CdSe дробномонослойной вставкой в центре и распределение потерь энергии электронного пучка поглубине структуры для различных энергий электронов накачки.56Характеристики 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, в соответствии сданными по катодолюминесценции (см.

Главу 4 и [73, 74]) представлены вТаблице 3.Таблица 3. Параметры слоѐв структуры, использованные в расчѐтахТип слояКоэффициентдиффузии D,м/с2Длинадиффузии L,мкмВремя жизни τ,нсЭффективныйпотенциал U,эВZnMgSSe(1)6,25×10-40,160,040,00ZnMgSSe(8)6,25×10-40,50,4-0,01ZnSe(9)6,25×10-40,50,4-0,05ZnMgSSe(10)6,25×10-40,50,4-0,04ZnSe(11)6,25×10-40,50,4-0,08ZnMgSSe(12)6,25×10-40,50,4-0,07ZnSe(13)6,25×10-40,50,4-0,11ZnMgSSe(14)6,25×10-40,50,4-0,1ZnSe(15)6,25×10-40,50,4-0,14ZnMgSSe(16)6,25×10-40,50,4-0,13ZnSe(2)6,25×10-40,50,4-0,17ZnSSe(3)6,25×10-40,50,4-0,15ZnSe(4)6,25×10-40,50,4-0,18ZnCdSe(5)6,25×10-41,01,64-0,41CdSe(5)6,25×10-41,01,64-0,64GaAs(6)6,25×10-40,50,4-0,69ZnMgSSe(7)6,25×10-40,160,040,00575.3 Результаты расчѐтов пространственного распределения концентрациинеравновесных носителей заряда в ZnSe- содержащих структурахНаРисунках16-19представленыпримерыпространственныхраспределений концентрации носителей n (x ) рассчитанные при энергии пучкаE0  7 кэВ , потерь энергии электронного пучка dE0 / dx при энергии электроновE0  7 кэВ и распределение электрического поля по глубине структур различноготипа.

Координата x  0 соответствует поверхности структуры, активный слойрасположен на глубине х = 158 нм (структуры 1, 3) и х = 160 нм (структуры 2, 4).На вкладках Рисунков 16, 19 приведены в увеличенном по горизонтальнойоси масштабе центральные части графика распределения концентрации носителейпо слоям структуры вблизи активной области. На вкладках Рисунков 17, 18приведены те же графики распределения концентрации носителей по слоямструктуры, но в другом масштабе по вертикальной оси.n(x)1,01,0n, mode1, dE/dx, arb.un.n(x)dE/dx(7keV)0,80,60,40,20,0n, mode1, dE/dx, arb.un.1301401501600,8170180190200X,nm0,6mode10,40,20,0-1000100200300400X,nmРисунок 16.

Пространственные распределения концентрации носителей (черная кривая) вструктуре 1 при энергии электронного пучка E0  7 кэВ , потерь энергии электронного пучкаdE0 / dx (зелѐная кривая) и электрического поля (красная кривая) по глубине структуры.Пунктирные линии – границы волновода.58n(x)n(x)70001,0dE/dx(7keV)6000n, arb.un.n, mode1, dE/dx, arb.un.50000,840003000200010000,60-100mode10100200300400X,nm0,40,20,0-1000100200300400X,nmРисунок 17. Пространственные распределения концентрации носителей (черная кривая) вструктуре 2 при энергии электронного пучка E0  7 кэВ , потерь энергии электронного пучкаdE0 / dx (зелѐная кривая) и электрического поля (красная кривая) по глубине структуры.Пунктирные линии – границы волновода.n(x)10001,0 dE/dx(7keV)n, arb.un.0,8n, mode1, dE/dx, arb.un.n(x)8006004002000-10000,6100200300400X,nmmode10,40,20,0-1000100200300400X,nmРисунок 18. Пространственные распределения концентрации носителей (черная кривая) вструктуре 3 при энергии электронного пучка E0  7 кэВ , потерь энергии электронного пучкаdE0 / dx (зелѐная кривая) и электрического поля (красная кривая) по глубине структуры.Пунктирные линии – границы волновода.59n(x)n(x)1,0dE/dx(7keV)0,8n, mode1, dE/dx, arb.un.n, arb.un.1,00,60,40,80,20,0120160200X,nm0,6mode10,41,00,2n, arb.un.0,80,0-1000,60,40,201002003004000,080X,nmРисунок 19.

Пространственные распределения концентрации носителей (черная кривая) вструктуре 4 при энергии электронного пучка E0  7 кэВ , потерь энергии электронного пучкаdE0 / dx (зелѐная кривая) и электрического поля (красная кривая) по глубине структуры.Пунктирные линии – границы волновода.Из Рисунков 16-19 видно, что неравновесные носители, возникающие вструктуре в основном на глубине до 100 нм, за счет диффузии и дрейфа в поле,эффективно собираются в активных слоях структуры. Верхние части графиков,изображающих распределение концентрации носителей n(x) по слоям структуры,лежат значительно выше рамок рисунка, то есть носители в основном собираютсяв активном слое - их концентрация в активном слое на два-три порядка (см.вкладки на Рисунках 17, 18) превышает концентрацию носителей в остальныхслоях структуры. Распределение носителей по остальным слоям структуры,естественно, зависит от конкретной конструкции структуры, что определяетразличие зависимости n(x) для четырѐх типов структур.Таким образом, в данной главе диссертации показано, что во всехисследуемыхструктурахподавляющееконцентрируется в активном слое.числонеравновесныхносителей60ГЛАВА 6.

ЗАВИСИМОСТЬ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКМНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР РАЗНЫХ ТИПОВ ОТ ЭНЕРГИИЭЛЕКТРОНОВ НАКАЧКИ И КАЧЕСТВА ГРАНИЦ СЛОЁВЦелью расчетов, результаты которых приведены в главах 6-8 являласьоптимизация параметров полупроводниковых структур для излучателей сэлектронно - лучевой накачкой. В работе рассматриваются излучатели двухтипов:люминесцентныеилазерные.Длялюминесцентныхизлучателейкритерием оптимизации является степень преобразования энергии накачки(электронногопучка)всветовоеизлучение,котораяопределяетсяэффективностью сбора носителей в активной области структуры. Для лазерныхизлучателей критерием оптимизации будем считать минимизацию пороговыхзначений плотности тока и мощности накачки.В данной главе исследуются зависимости эффективности сбора носителей вактивной области структур (параграф 6.1, рисунки 20, 21 ), значений пороговойплотности тока (параграф 6.2, рисунки 22, 23) и пороговой мощности накачки(параграф 6.2, рисунки 24, 25) от энергии электронов накачки для разныхконструкций структур.

Параметры слоѐв структур приведены в таблице 3.Коэффициент поверхностной рекомбинации на внешней границе структур s0-1изменялсявпределахот1до104 м/с,коэффициентыповерхностнойрекомбинации на внутренних границах слоѐв структур (s1-3, s4-5) изменялись впределах от 0 до 1000 м/с. Соответствующие значения приведены в Таблице 4.Широкийдиапазонизменениякоэффициентовповерхностнойрекомбинации позволяет учесть влияние качества границ между различнымислоями структуры на их излучательные характеристики и эффективность сбораносителей в активной области.61Таблица 4.№ рисункаКоэффициентбезызлучательнойрекомбинацииs0-1=10 м/сТип границы20а22а24аВакуум - внешний ZnMgSSe-слойВнешний ZnMgSSe-слой-волноводВолновод - активная областьs1-3=0 м/сs4-5=0 м/с20б22б24бВакуум - внешний ZnMgSSe-слойВнешний ZnMgSSe-слой - волноводВолновод – активная областьs0-1=104 м/сs1-3=0 м/сs4-5=0 м/с20в22в24вВакуум - внешний ZnMgSSe-слойВнешний ZnMgSSe-слой - волноводВолновод – активная областьs0-1=10 м/сs1-3=103 м/сs4-5=0 м/с20г22г24гВакуум - внешний ZnMgSSe-слойВнешний ZnMgSSe-слой - волноводВолновод – активная областьs0-1=10 м/сs1-3=0 м/сs4-5=103 м/с20д22д24дВакуум - внешний ZnMgSSe-слойВнешний ZnMgSSe-слой - волноводВолновод – активная областьs0-1=10 м/сs1-3=103 м/сs4-5=103 м/с6.1 Эффективность сбора носителей в активной областиЗначения эффективности сбора носителей в конкретной структуреопределяются как конструкцией структуры, так и еѐ качеством, наличиемдефектов.

Приведенные ниже результаты вычислений позволяют проследитьзависимости эффективности сбора от различных параметров структуры.Необходимо заметить, что абсолютные значения эффективности сбора в реальныхструктурах могут существенно отличаться для структур с различной геометрией,строением активной области и волновода.

Это связано с тем, что параметры слоѐвструктуры, такие как длина диффузии, время жизни, коэффициент поверхностнойрекомбинации могут изменяться в достаточно широких пределах в зависимостиоткачествавыращивания.структуры,определяемогосовершенствомтехнологийих62НаРисунке 20приведенырезультатырасчѐтовзависимостейэффективности сбора носителей в активной области от энергии электроновнакачки для четырех структур с различным строением волновода и активнойобласти,носодинаковымигеометрическимиразмерамиволноводаиограничивающих слоѐв (см.

Рисунки 12-15).Рисунки20а, 20б, 20в, 20г,20дотличаются толькозначениямикоэффициентов безызлучательной рекомбинации на различных границах слоѐв(см. Таблицу 4).Из Рисунка 20 можно видеть, что характер зависимости эффективностисбора носителей от энергии практически не зависит от строения волновода иактивной области. Максимальное значение эффективности сбора носителейдостигается при энергиях накачки 7-8 кэВ. При энергии накачки более 10-15 кэВэффективность сбора носителей резко спадает, что связано, с тем, что при шириневолновода структур 300 нм, для которых приведены результаты расчѐта, основнаячасть энергии электронного пучка рассеивается за пределами волновода в нижнемограничивающем слое и подложке.cdab1,0s0-1=10m/sefficiency0,90,80,70,602468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVа634c1,0das0-1=10 m/sbefficiency0,90,80,70,602468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVбs0-1=10m/scdab1,03s1-3=10 m/sefficiency0,90,80,70,602468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVвs0-1=10m/s30,8s4-5=10 m/saefficiency0,6bc0,4d0,20,002468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVг64s0-1=10m/s3s1-3=10 m/s0,83s4-5=10 m/saefficiency0,6bc0,4d0,20,002468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30E,keVдРисунок 20.

Зависимости эффективности сбора носителей от энергииэлектронного пучка для структур с различным строениемволновода и активной области:а (красная кривая) – для структуры 3 (варизонная с одиночной ZnCdSeквантовой ямой);b (зелѐная кривая) – для структуры 1 (с квантовой ямой);c (голубая кривая) – для структуры 4 (варизонная с ZnSe квантовой ямой сCdSe дробно-монослойной вставкой в центре);d (чѐрная кривая) - для структуры 2 (с квантовой ямой со вставкой CdSe –наноостровков).20а, 20б, 20в, 20г, 20д – для различных коэффициентов безызлучательнойрекомбинации на поверхностях различных слоѐв структуры (Таблица 4).При энергии накачки менее 7 кэВ значительная часть энергии электроновнакачки теряется во внешнем ограничивающем слое.Для идеальной структуры (отсутствует безызлучательная рекомбинация награницах слоѐв) эффективность сбора носителей практически не зависит отстроения активной области и волновода.