Автореферат (1091478), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Автором проведены расчѐты пространственного распределениянеравновесныхносителейвразличныхгетероструктурахприихнакачкеэлектронным пучком, зависимостей пороговых характеристик излучателей отэнергии электронов накачки и параметров структур. При непосредственном участииавтора проведены экспериментальные исследования зависимостей пороговойплотности тока от энергии электронов для излучателей зелѐного и ИК-диапазонов.8Объём и структура работыДиссертация состоит из введения, восьми глав основного содержания изаключения, содержит 141 страниц, включая 60 рисунков, 6 таблиц и спискацитируемой литературы из 86 наименований.Апробация работы.Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались нароссийских и международных 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 Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии впромышленности России».- 7-9 сентября 2006. -Москва, ОАО ЦНИТИ«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 Всероссийский симпозиум с международным участием «Полупроводниковыелазеры: физика и технология». - 2014 . - Санкт-Петербург, Россия.10.

12th International Conference on Fiber-Optical Networks Modeling LFNM’2013. –2013.- Sudak, Ukraina.11. Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры иприборы».- 2013.-Москва.Публикации по теме диссертацииПо материалам диссертации опубликовано 33 работы, из которых 12 вреферируемых журналах (10 в журналах из списка ВАК) и 21 в сборниках трудовконференций.9ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.Во введении обоснована актуальность выбранной темы, излагаются цели изадачи диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимыена защиту, показаны научная новизна и практическая значимость полученныхрезультатов, представлена структура диссертации.Перваяглавапредставляетсобойлитературныйобзор,вкоторомрассматривается современное состояние теоретических и экспериментальныхисследований светоизлучающих полупроводниковых гетероструктур, проводимых вРФ и за рубежом.

Рассмотрены лазеры с накачкой электронным пучком иприводится их принцип работы.Во второй главе описывается теоретическая модель, на основе которойпроизводилисьрасчѐтыраспределениянеравновесныхносителейвполупроводниковых гетероструктурах с учетом диффузии и дрейфа носителей засчѐт внутреннего поля многослойной структуры.Расчѐт пороговой плотности тока при различных значениях энергийэлектронов накачки проводится в структурах различных типов с учѐтом какпространственного распределения неравновесных носителей, так и распределенияэлектромагнитного поля в волноводе. Поскольку в рассматриваемых в работеструктурах толщины слоѐв много меньше их остальных размеров, рассматривалсяодномерный случай.Распределение концентрации n неравновесных носителей определялось изстационарного уравнения Фоккера—Планка0ddn d dU ( x)D( x)  n  ( x) n  W ( x) ,dxdx dxdxгде n(x) - концентрация неравновесных носителей, W ( x ) - накачка, котораяопределяетпространственноераспределениеконцентрациирождающихсяносителей, Dx   L2  ( x) - коэффициент диффузии, L - диффузионная длина,   x  время жизни носителей, U  Eg e - эффективный потенциал, связанный с разнойшириной запрещенной зоны Eg в разных слоях структуры, e - заряд электрона,  подвижность.

Подобный подход при вычислении концентрации носителей вслоистых структурах был ранее использован в работе [1]10В диссертации предполагалось, что функцииD x , U  x ,   x кусочнопостоянны и, возможно, испытывают разрывы при конечном числе значенийx  x1 , x2 , ..., xk 1 ( x0  0 - граница среды). Поскольку в это уравнение входит лишьпроизводная от U (x) , то эффективный потенциал U (x) определяется с точностью допостоянной. Можно, например, положить его равным нулю в одном из слоевструктуры. Все величины зависят от x , тем самым, заданием значения U в каждомслое обеспечивается возможность вычисления распределения концентрации длялюбого числа слоев структуры.

Предполагалось, что накачка отлична от нуля вконечной области значений x . Тогда при x   концентрация должна стремитьсяк нулю. Граничные условия на свободной поверхности: D(0)dn(0)  sn(0), где s dxскорость поверхностной рекомбинации.Зная пространственное распределение носителей и их концентрацию n0 (E0 ) вактивном слое ( E0 – энергия электронного пучка), можно рассчитать эффективностьсбора неравновесных носителей в слоях структуры, зависимость пороговыхзначений плотности тока и мощности накачки от энергии пучка и параметровструктуры.

Эффективность сбора  неравновесных носителей в активных слояхструктуры вычислялась следующим образомndV  акт. слой n dV.весь объёмВ диссертационной работе рассматривается воздействие электронных пучковс плотностью тока ~> 0,1-10 A/см2 на достаточно совершенные структуры с малойконцентрацией дефектов, и поэтому при вычислении зависимости пороговойплотности тока j th и мощности накачки от энергии пучка и параметров структурыможно считать, что количество носителей линейно зависит от плотности тока j , аименно n  jn0 ( E0 ) , где n0 ( E0 ) - вычисленная концентрация носителей в активнойобласти структуры при попадании на единицу площади поверхности структурыодного электрона с энергией E0 .11Для достижения генерации необходимо, чтобы коэффициент усиления достигпорогового значения g th , определяемого длиной резонатора, поглощением вматериале, коэффициентами отражения зеркал.

Коэффициент усиления зависит отконцентрациинеравновесныхносителей,определяемойнакачкойиихвзаимодействием с полем электромагнитной волны. Следуя [2], считаем, чтокоэффициент усиления g пропорционален произведению концентрации носителейn на фактор оптического ограничения Г , который определяется как отношениеинтенсивности света, приходящейся на активный слой, к суммарной интенсивностисвета, приходящейся на все слои:E2dVакт. слой2Г E dV.весь объёмСледуя работам [2, 3] распределение поля Е по глубине структурыопределялось из волнового уравнения:2E (  2  k02 ( x)) E  02xгде  - волновой вектор в направлении оси волновода, k0  2 /  - волновой векторв вакууме,  (x ) - зависящая от глубины x диэлектрическая проницаемость (еезначения отличаются в разных слоях структуры).Поскольку пороговая концентрация носителей nth и пороговый коэффициентусиления gth определяются, соответственно, как nth  jth n0 ( E0 ) и g th ∼nth Г тоjth ∼g th / Гn0 ( E0 ) .Для определения величины пороговой плотности тока при конкретномзначении энергии электронов накачки была написана программа, которая сначаларассчитывает распределение в волноводе поля поперечной моды с заранеевыбранным номером и фактор оптического ограничения, затем рассчитываетраспределение носителей, установившееся в результате накачки, диффузии идрейфа, и, наконец, производит вычисление пороговой плотности тока вотносительных единицах jth  1 Гn0 ( E )12В третьей главе описываются используемые при расчѐтах пространственныераспределения потерь энергии электронов в полупроводниковых материалах,применяемых в лазерах с электронно-лучевой накачкой.Пространственное распределение потерь энергии электронов накачки вразличных материалах вычислялось в целом ряде работ.

При расчетах в разныхработах учитывались различные механизмы взаимодействия электронов с атомамикристалла, сечения взаимодействия не всегда были определены с достаточнойточностью. В ряде работ не приводятся подробные данные об учитываемыхмеханизмах взаимодействия. В результате пространственные распределения потерь,полученные в различных работах, существенно отличаются.Всѐсказанноевышесвидетельствовалоонеобходимостиуточненияпространственного распределения энергии электронов накачки в исследуемыхструктурах.energy losses,nJ/(m*electron)6были5распределений10 keV420 keVпроведенывеществом130 keVэтихучетом1000150020002500электронов30003500X,nmпозволяющиераспределениеРисунок 1.Распределение энергетических потерь в ZnSeпри различных энергиях электронного пучка.сПолучены[4].аппроксимационные0500свзаимодействия25 keV20расчетысовременных данных по сечениям15 keV3результатесовместной работы с ВНИИЭФ5 keV7Вформулы,определитьпоглощѐннойэнергии электронов в различныхматериалах.Примерырасчѐтапространственного распределения энергии электронов накачки в ZnSe приведены наРисунке 1.

Данные прост-ранственные распределения потерь энергии электроновиспользовались в работе для вычислений параметров излучателей с электроннойнакачкой.В четвѐртой главе приводятся результаты исследования зависимостиинтенсивности катодолюминесценции от параметров структур и энергии электроновнакачки.13Заметим,чтоиспользуемыевкачествеактивныхэлементовполупроводниковых лазеров многослойные гетероструктуры состоят из тонкихслоѐв, толщины которых составляют доли микрона. В связи с этим при наблюденииспектров катодолюминесценции с поверхности структуры перепоглощениемизлучения в этих слоях можно пренебречь. Таким образом, интенсивностьлюминесценции отдельных слоѐв структуры пропорциональна концентрацииносителей в них.4,54972300 K50004,0CL-intension(CdSe-QD),arb.un.CL-intension(CdSe-QD),arb.un.60004000300016 kV200010003,53,02,52,01,51,00,50,00051015e-beam accelerating202523046810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32E,keVvoltage, keVВАРисунок 2.

Характеристики

Список файлов диссертации