Автореферат (1091478), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Экспериментальная (А) и расчѐтная (В) зависимости интенсивностикатодолюминесценции из ZnSe - квантовой ямы со вставкой слоя CdSe – квантовых точек отэнергии электронного пучка.На Рисунке 2 приводятся экспериментальная и расчѐтная зависимостиинтенсивности катодолюминесценции от энергии электронов при постоянном токенакачки, полученные для одной из ZnSe-содержащих структур.Совпадения экспериментальной и расчѐтных зависимостей удаѐтся добиться впредположении, что время жизни в ограничивающих волновод слоях на порядокменьше времени жизни в остальных слоях структуры.

Это может быть связано сдефектностью ограничивающих слоѐв ZnMgSSeРезультатсопоставленияполученныхзависимостейсвидетельствуетоправильности модели, используемых распределений энергии потерь электроновнакачки и выбранных параметров структур.В пятой главе приведены описания и характеристики исследуемыхполупроводниковых ZnSe – содержащих структур, а также представлены результаты14расчѐтов пространственного распределения концентрации неравновесных носителейзаряда в различных типах структур.Структуры были выращены в ФТИ им.

А.Ф. Иоффе методом молекулярнопучковой эпитаксии на подложках GaAs. Эти труктуры содержат нижний и верхнийограничивающие слои Zn0,9Mg0,1S0,15Se0,85 толщиной от 0,7 мкм до 1,5 мкм и от 0 до0,1-0,2 мкм, соответственно, симметричный или ассиметричный волновод в видесверхрешѐтки ZnSSe/ZnSe общей толщиной от 0,2 мкм до 1,3 мкм и активнуюобласть в виде обычной одиночной ZnCdSe квантовой ямы (QW) или ZnSe QW сCdSe дробно-монослойной вставкой в центре. Кроме того, исследовалисьгетероструктуры на основе ZnSe с волноводом с плавным изменением показателяпреломления (варизонные структуры), представляющим собой последовательныйнабор короткопериодных напряженных сверхрешеток ZnMgSSe/ZnSe и ZnSSe/ZnSeс изменяемым соотношением толщин ZnSe ям и ZnMgSSe барьеров, обеспечиваяпри этом плавное снижение ширины запрещенной зоны (увеличение показателяпреломления) к активной области структуры [5].Пример пространственногоn(x)n(x)70001,0dE/dx(7keV)распределения6000концентрацииn, arb.un.n, mode1, dE/dx, arb.un.50000,84000300010000,60-100mode10100200300n (x ) представленнаРисунке 3.Видно,что4000,4неравновесные носители, за счет0,2диффузииX,nmидрейфаэффективно0,0-100носителей20000100200300400X,nmРисунок 3.

Пространственные распределенияконцентрации носителей (черная кривая) в структурепри энергии электронного пучка E0  7 кэВ , потерьэнергии электронного пучка dE0 / dx (зелѐная кривая) иэлектрического поля (красная кривая) по глубинеструктуры. Пунктирные линии – границы волновода.всобираютсяполе,вактивныхслояхструктуры.Верхняячастьграфика,изображающегораспределениеконцентрации носителей n(x) послоямструктуры,лежитзначительно выше рамок рисунка,их концентрация в активном слое на два-три порядка (см.

вкладку на Рисунке 3)превышает концентрацию носителей в остальных слоях структуры.15В шестой главе приводятся результаты расчѐтов зависимости эффективностисбора носителей в активной области структуры, пороговых значений плотности токаи мощности накачки лазеров на основе ZnSe-содержащих полупроводниковыхструктур с одиночной активной областью от энергии электронного пучка и качестваграниц слоѐв структуры.

Показано, что характер зависимости эффективности сбораносителей от энергии практически не зависит от строения волновода и активнойобласти.Показано, что при всех энергиях электронов накачки наибольшее влияние навеличину эффективности сбора носителей, пороговых значений плотности тока иплотности мощности накачки оказывает поверхностная рекомбинация на границахслоѐв, непосредственно примыкающих к активной области (квантовой яме).В седьмой главе приводятся результаты расчѐтов зависимости излучательныххарактеристик ZnSe-содержащих структур от положения квантовой ямы в пределахволновода, размера волновода, ширины внешнего и внутреннего ограничивающихволноводслоѐв.Представленытакжерезультатырасчѐтовизлучательныххарактеристик полупроводниковых структур с множественными квантовыми ямами.Показано, что:-оптимальное положение активной области в волноводе зависит от энергииэлектронов накачки и размеров волновода;-толщина внешнего слоя структуры не должна превышать 10-20 нм, что особенноважно при малых (менее 7 кэВ) значениях энергии электронов накачки;-толщина внутреннего ограничивающего волновод слоя должна быть не менее800-1000 нм.Таким образом, при каждой энергии электронов существует своя оптимальнаяконструкция структуры.Для снижения пороговой плотности тока и рабочей энергии электроновнеобходимо обеспечить максимальную эффективность сбора неравновесныхносителей в активную зону лазера, а также максимальную эффективностьвзаимодействия носителей с полем электромагнитной волны, что может бытьдостигнуто выбором энергии электронов накачки.

Для этого необходимо, чтобы16совпали максимумы распределения потерь энергии электронов, распределения поляосновной моды в резонаторе и положения квантовой ямы. Для увеличения фактораоптического ограничения ширина волновода должна быть уменьшена до величины,при которой уверенно возбуждается волноводная мода и подавляющая частьэнергии поля не уходит за его пределы (обычно – 300-350 нм).

При размереволновода ~ 300 нм максимум распределения поля совпадает с максимумом накачкипри энергии электронов ~ 15 кэВ. Таким образом, оптимальное (с точки зренияснижения пороговой плотности тока) значение энергии электронов накачки вконечном счете определяется значением длины волны (в материале) излучениялазера.Экспериментально продемонстрирована возможность получения генерациилазеров на основе ZnSe-содержащих структур при рекордно низких значенияхэнергии электронов – 3,2 кэВ за счѐт уменьшения толщины внешнего слояструктуры до 10 нм.Из сравнения расчетов с экспериментальным даннымиследует возможность дальнейшего уменьшения рабочей энергии электронов влазерах данного типа до величины 1 – 2 кэВ.На основании проведенных расчетов для многоямных структур можно сделатьследующие выводы:-при увеличении толщины волновода h, количество возможных возбуждающихсяв нем поперечных типов колебаний возрастает (от 2 при h = 0,6 мкм до 6 приh = 1,8 мкм), однако отличие порогов возбуждения различных поперечных моднезначительно.-различие порогов возбуждения различных мод возрастает при уменьшенииэнергии электронного пучка менее 20 кэВ, т.е.

изменение энергии электроновможетявляться эффективным способом управлениямодовым составомизлучения лазера.-при оптимальном расположении активной области, пороговая плотность тока дляструктуры с одиночной квантовой ямой всегда ниже, чем для многоямнойструктуры.Ввосьмойглавеприводятсярезультатыполупроводниковых структур для УФ и ИК-диапазонов.17расчѐтовхарактеристикВыполненные в диссертации расчѐты зависимостей пороговой плотности токаот энергии электронов накачки и параметров структур AlGaAs/InGaAs/GaAs длялазеров ИК-диапазона позволили сформулировать требования к оптимальнойконструкции структуры. Такая структура была выращена в НИИ «Полюс» и на еѐоснове нами экспериментально была получена генерация в ИК-диапазоне прикомнатной температуре активного элемента с рекордно низким значениемпороговой плотности тока электронов накачки – 0,35 А/см2.В заключении формулируются основные результаты работы.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ-Показано, что в исследованных ZnSe- содержащих квантоворазмерных структурнеравновесные носители, за счет диффузии и дрейфа в поле, эффективнособираются в активных слоях структуры, их концентрация в активном слое надва-три порядка превышает концентрацию носителей в остальных слояхструктуры.-Предложена модель расчета пороговой плотности тока лазеров на основеразличных типов квантоворазмерных структур с электронно-лучевой накачкой,учитывающая как распределение электромагнитного поля в волноводе, так ипространственное распределение неравновесных носителей в структуре.Выполнено сравнение полученных расчѐтных и экспериментальныхзависимостей интенсивности люминесценции от энергии электронов накачки,подтверждающее справедливость предложенной модели.-Установлено, что при всех энергиях электронов накачки наибольшее влияние навеличину эффективности сбора носителей, пороговых значений плотности тока иплотности мощности накачки оказывает поверхностная рекомбинация награницах слоѐв, непосредственно примыкающих к активной области.-Установлено, что при малых энергиях электронов накачки определяющеевлияние на величину пороговой плотности тока лазеров на основеZnSe- содержащих квантоворазмерных структур оказывает толщина внешнегоограничивающего слоя структуры.

Впервые нами получена генерация прикомнатной температуре с использованием активного элемента на основеструктуры с толщиной ограничивающего слоя 10 нм при рекордно низкомзначении энергии электронов накачки – 3,2 кэВ. Даны рекомендации длядальнейшего уменьшения энергии электронов накачки.18-Выполненные расчѐты, показывают, что при создании люминесцентныхисточников света для увеличения интенсивности катодолюминесценциинеобходимо увеличивать энергию электронов накачки и использовать структурыс множественными квантовыми ямами. В то же время, для снижения пороговойплотности тока лазеров с электронной накачкой предпочтительнее структуры содиночной квантовой ямой.-Впервые экспериментально получена генерация в ИК-диапазоне при комнатнойтемпературе активного элемента с рекордно низким значением пороговойплотности тока электронов накачки – 0,35 А/см2.

Этот результат был получен сиспользованием структуры AlGaAs/InGaAs/GaAs, конструкция которой былаоптимизирована по результатам проведѐнных нами расчѐтов и выращена в НИИ«Полюс».-Выполненные расчѐты пространственного распределения неравновесныхносителей в структурах на основе нитридов алюминия, индия и галлия,позволилиобъяснитьнаблюдаемыевэкспериментахспектрыкатодолюминесценции.Цитируемая литература1. Богданкевич, О.В. Варизонные структуры в полупроводниковых лазерах сэлектронным возбуждением / О.В.

Богданкевич, Н.А. Борисов, Б.А. Брюнеткин,С.А. Дарзнек, В.Ф. Певцов //Квантовая электроника. - 1978. -№ 6. -С. 1310.2. Кейси, Х. Лазеры на гетероструктурах в 2-х томах / Х. Кейси, М. Паниш. –М.:Мир, 1981. - Т. 1. - С. 69.3. Bergmann, M.J.Optical-fieldcalculationsforlossymultiple-layerAl x Ga 1 x N / In x Ga 1 x N laser diodes / M. J. Bergmann, H. C.

Casey // J. App. Phys. –1998. -Vol. 84. - No. 3. –P. 1196—1203.4. Донской, Е.Н. Распределение плотности возбуждения в полупроводниковыхлазерах на основе ZnSe с накачкой электронным пучком / Е.Н. Донской, Е.В.Жданова, А.Н. Залялов, М.М. Зверев, С.В. Иванов, Д.В. Перегудов, О.Н.Петрушин, Ю.А. Савельев, И.В. Седова, С.В. Сорокин, М.Д. Тарасов, Ю.С.Шигаев // Квантовая электроника.

– 2008. –Т. 38. - №12. – С. 1097-1100.5. Gronin, S.V. ZnSe-based laser structures for electron-beam pumping with graded indexwaveguide / S.V. Gronin, S.V. Sorokin, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, E.V. Zdanova, M.M.Zverev // Physica Status Solidi (b).

Характеристики

Список файлов диссертации