Диссертация (1091479), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Заметим что при однородной по пространству накачке, что можетиметь место в инжекционных полупроводниковых лазерах и в лазерах соптической накачкой, оптимальное положение квантовой ямы будет совпадать смаксимумом распределения поля основной моды резонатора.Как следует из наших расчѐтов, оптимальное положение активной области вволноводе, вообще говоря, зависит от энергии электронов накачки и размеровволновода, однако (Рисунки 30, 31) изменение положения активной областивнутри волновода в достаточно широких пределах слабо влияет на величинупороговой плотности тока накачки, особенно при энергиях электронов накачкиболее 5 кэВ. Заметим, что из экспериментально полученных энергетическихзависимостейпороговойплотноститокадляструктурсразличнымрасположением ямы (структура 4445 – симметричное расположение активнойобласти (ХQD= 330нм), 4446 – активная область (ХQD=280нм) смещена в сторонуподложки) внутри волноводов различной ширины (4445 – 0,62 мкм, 4446 –0,37 мкм) (Рисунок 27В) также можно видеть, что их отличие друг от друганевелико.На Рисунке 32 приведены зависимости эффективности сбора носителей отглубины залегания активного слоя для разных энергий электронов накачки.
Какможно видеть из данных графиков, эффективность сбора носителей для энергийпучка от 7 кэВ и выше имеет максимум. При энергии пучка менее 7 кэВэффективность сбора носителей в активном слое уменьшается по мере удаленияего от поверхности структуры. Это объясняется тем, что в этих случаях глубинапроникновения пучка электронов такова (60-300 нм), что при любом израссматриваемых положений активная область оказывается уже на хвостераспределения потерь, максимумы которых лежат либо внутри верхнего90ограничивающего слоя, либо в начале волновода, при этом активная областьрасполагается значительно глубже.2keV7keV10keV15keVdE/dx(7keV)Boundariesof the waveguide1,0efficiency0,80,60,40,20,00100200300400500XQW , nmРисунок 32.
Зависимости эффективности сбора носителей в активном слое волновода отего расположения для различных энергий электронного пучка. Ширина волновода 540 нм.7.2 Зависимость излучательных характеристик структур от размеровволноводаИсследовалисьзависимостипороговойплотноститоканакачкииэффективности сбора носителей в активной области структуры от шириныволновода. Ширина волновода изменялась от 200 до 500 нм, пространственноеположение активной области не изменялось относительно внешней поверхностиструктуры и соответствовало минимуму зависимости пороговой плотности токаот положения активной области (см.
Рисунки 30, 31). При изменении шириныволновода в нѐм помимо основной моды могут возбуждаться моды более высокихпорядков.На Рисунке 33 приведено распределение полей мод для волноводовразличной ширины. С увеличением ширины волновода положение максимумараспределения поля основной моды смещается от поверхности в глубину91волновода. При толщине волновода 500 нм кроме основной моды начинаетвозбуждаться также мода второго порядка.WG236nmWG300nmWG400nmWG500nmWG500nm,mode21,21,0-300-200n, mode1, dE/dx, arb.un.0,80,60,40,20,0-100-0,2-0,40100200300400500600X,nm-0,6-0,8-1,0Рисунок 33. Результаты вычислений распределения поля для различных размеровволновода.Вообще говоря, при каждой энергии электронов существует свояоптимальная конструкция структуры. Как видно из Рисунка 33, при большойширине волновода порог генерации на неосновной поперечной моде может бытьниже порога возбуждения основной моды в случае оптимального соотношениямежду координатой активной области и положением максимума потерь энергииэлектронов накачки.
В связи с этим, в широком волноводе интенсивностькатодолюминесценции может быть выше при наличии нескольких квантовых ям,расположенных вблизи максимумов распределения поля.На Рисунке 34 приведены зависимости пороговой плотности тока отширины волновода для разных энергий электронов накачки, вычисленные дляосновной моды волновода. Как видно из Рисунка 34 при изменении энергииэлектронного пучка в пределах от 2 до 30 кэВ зависимость пороговой плотноститока от ширины волновода для разных энергий электронов накачки имеет92минимум при изменении ширины волновода от 230 до 540 нм. Заметим, чтоналичие минимума связано с тем, что при фиксированном расположенииактивного слоя в структуре (в приведенных расчетах расстояние от квантовойямы до поверхности постоянно и равно 180 нм) при изменении шириныволновода положение активной области не соответствует оптимальному.
Такимобразом,любоеизменениешириныволноводадолжносопровождатьсяодновременным изменением положения в нем активной области.1,42 keV5 keV7 keV10 keV20 keV30 keV1,2Jth, arb.un.1,00,80,60,40,2200250300350400450500LWG,nmРисунок 34. Зависимости пороговой плотности тока от ширины волновода для разныхэнергий электронов накачки, вычисленные для основной моды волновода.
Левый крайволновода располагается на глубине 10 нм, положение активного слоя фиксировано наглубине 180 нм, координата правого края волновода увеличивается с ростом шириныволновода.На Рисунке 35 представлены зависимости эффективности сбора носителей вактивной области от ширины волновода для разных энергий электронов накачки,при фиксированном пространственном расположении активной области.0,740,720,700,680,660,640,620,600,580,560,540,520,500,480,460,440,420,402002 keV5 keV7 keV10 keV12 keVefficiencyefficiency93300400500LWG, nm6000,600,550,500,450,400,350,300,250,200,150,100,050,0020012 keV15 keV20 keV25 keV30 keV300400500600LWG, nmРисунок.35. Зависимости эффективности сбора носителей в активной области от шириныволновода для разных энергий электронов накачки.
Левый край волновода располагается наглубине 10 нм, положение активного слоя фиксировано на глубине 180 нм, координата правогокрая волновода увеличивается с ростом ширины волновода.На Рисунке 36 представлены зависимости пороговой плотности тока отширины волновода для разных энергий электронов накачки, вычисленные дляосновной моды волновода при симметричном расположении активной области вволноводе.При изменении ширины волновода в пределах от 240 до 540 нм в нѐмвозбуждается только основная мода колебаний. Так как активный слойрасполагается симметрично относительно волновода, то с увеличением шириныволновода активная область и максимум распределения поля основной модыудаляются от поверхности структуры.9422E=2 keV20181,4Jth, arb.un.1,21614121081,06Jth, arb.un.40,82002503003504004505005505keV7keV10keV12keV600LWG, nm0,60,40,2200300400500600LWG, nm10 keV12 keV)15keV20 keV25 keV30 keV0,550,500,2610keV12keV15keV0,45Jth, arb.un.Jth, arb.un.0,240,220,200,400,350,300,250,200,182503003504004505005500,15200LWG, nm300400500600LWG, nmРисунок 36.
Зависимость пороговой плотности тока от ширины волновода при симметричномрасположении активной области в волноводе для разных энергий электронов накачки.Из Рисунка 36 можно видеть, что с увеличением ширины волноводапороговая плотность тока растѐт при малых энергиях электронного пучка (менее10 кэВ). Это очевидно связано с тем, что при малых энергиях максимум потерьэнергии электронов (менее 100 нм) находится всегда между поверхностьюструктуры и активной областью (более 130 нм), а с ростом ширины волновода,активнаяобластьудаляетсяраспределения потерь.отповерхностиструктурыимаксимума95При энергиях электронного пучка от 10 кэВ до 15 кэВ зависимостьпороговойплотностиотшириныволноводаимеетминимум,которыйсоответствует оптимальному расположению активной области внутри структуры,при котором максимум распределения потерь энергии электронов располагаетсявблизи активной области.
С увеличением энергии электронов более 15 кэВ,пороговая плотность тока уменьшается с ростом ширины волновода, чтообусловлено тем, что при малых размерах волновода значительная часть энергииэлектронов уходит в подложку, так как максимум распределения энергетическихпотерь располагается за активной областью и максимумом распределения полямоды.На Рисунке 37 представлена зависимость эффективности сбора носителей вквантовой яме от ширины волновода для разных энергий электронов накачки присимметричном расположении активной области внутри волновода.0,752 keV5 keV7keV10keV12 keV0,650,600,55efficiency, arb.un.efficiency, arb.un.0,80,700,60,40,500,450,400,3510keV15 keV20 keV25 keV30keV0,300,250,200,150,100,050,22000,00200300400500300600400500LWG, nmLWG, nmРисунок 37.
Зависимость эффективности сбора носителей в квантовой яме от шириныволновода для разных энергий электронов накачки.Как можно видеть, эффективность сбора носителей в квантовой яме прималых энергиях уменьшается с увеличением ширины волновода, при энергиях60096пучка 10 кэВ и более эта зависимость имеет максимум, положение которогосмещается с ростом энергии электронного пучка в сторону увеличения шириныволновода.Начиная с ширины волновода 350 нм, пороговая плотность тока растѐт приувеличении ширины волновода и фиксированном положении активной области внѐм при использовании пучков электронов с энергиями не более 30 кэВ.
Поэтомудля низкопороговых лазеров нецелесообразно делать волновод шире 350 нм принакачке структур пучками электронов с малой энергией.7.3 Зависимость излучательных характеристик структур от ширинывнешнего ограничивающего волновод слояРезультатырасчѐтовзависимостейпороговойплотноститокаиэффективности сбора носителей в активной области волновода от размероввнешнего ограничивающего волновод ZnMgSSe- слоя для структуры с квантовойямой с CdSe- дробно-монослойной вставкой представлены на Рисунках 38, 40.35220E=3keV200E=7keV3018016025Jth, arb.un.Jth, arb.un.140120100802015106040E=10keV52000020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220050100dZnMgSSe, nmА150200dZnMgSSe, nmВРисунок 38. Зависимости пороговой плотности тока от ширины внешнего ZnMgSSe – слоя,ограничивающего волновод, для разных энергий (структура с квантовой ямой).
А – дляэнергии электронов 3кэВ, В – для энергии электронов 7кэВ и 10 кэВ.97Как можно видеть из Рисунка 38 при изменении ширины верхнегоограничивающего волновод слоя от 1 до 200 нм при энергиях пучка от 3 до 10 кэВпороговая плотность тока возрастает. Из результатов расчѐта следует, что сувеличением энергии электронного пучка влияние размера внешнего слоя напороговую плотность тока уменьшается, что связано с увеличением глубиныпроникновения электронов в структуру.На Рисунке 39 представлена экспериментальная зависимость пороговойплотности тока от толщины внешнего широкозонного слоя, измеренная приэнергии электронов 10 кэВ для разных структур.Из Рисунков 38, 39 можно видеть, что наблюдается качественное согласиерезультатов расчѐта и эксперимента. Следует отметить, что экспериментальныеданные, представленные на Рисунке 39, получены на структурах, отличающихсяне только толщиной внешнего слоя, но и другими параметрами, такими как:ширина волновода и внутреннего ограничивающего волновод слоя, расположениеи структура активной области.
Поэтому количественное сравнение результатов,представленных на Рисунке 39, с результатами наших расчѐтов не имеет смысла.о7060Jth , arb.un.5040о302010оо0020406080 100 120 140 160 180 200 220dZnMgSSe, nmРисунок 39. Экспериментальная зависимость пороговой плотности тока при накачкеэлектронным пучком с энергией 10 кэВ от толщины d внешнего слоя структур.98Количественноесравнениерезультатоврасчѐта(Рисунок 38А)сэкспериментальными данными проведено для лазеров на основе структур спримерно одинаковым расположением активной области и шириной волновода(Рисунок 27А) с толщиной внешнего слоя 10 нм (структура 4-099) и 20 нм(структура 4-094). При энергии электронного пучка 3 кэВ отношения расчѐтных иэкспериментальных значений пороговой плотности тока для лазеров на основеструктур с толщиной внешнего ограничивающего слоя 10 нм и 20 нм близки другдругу: примерно 1,7 (эксперимент) и 1,5 (результат расчѐта).
Расчѐтыпроводились при изменении в широком диапазоне таких параметров структур, каквремяжизниносителей,длинадиффузии,коэффициентповерхностнойрекомбинации на внешней и внутренних границах структур.На Рисунке 40 представлена зависимость эффективности сбора носителей вактивной области от ширины внешнего ZnMgSSe- слоя, ограничивающеговолновод, для разных энергий (структура с квантовой ямой)0,60,80,50,6efficiencyefficiency0,40,3E=10keV0,40,20,2E=7keV0,1E=3keV0,00,0020406080100 120 140 160 180 200 2200dZnMgSSe, nm50100150200dZnMgSSe, nmРисунок 40.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
