автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Излучатели на основе полупроводниковых наногетероструктур с накачкой электронным пучком

На правах рукописи

ЖДАНОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

ИЗЛУЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

11 НОЯ 2015

Автор:

~С7

Москва 2015

005564316

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА)

Защита состоится 8 декабря 2015 года в 17-30 на заседании диссертационного совета Д212.131.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники» по адресу: 119454 Москва, пр. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте МИРЭА http://www.mirea.ru/

Автореферат разослан «23» АО 2015г.

Научный руководитель: Зверев Михаил Митрофанович, доктор

физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты: Глова Александр Федорович, доктор

физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории, Акционерное общество «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». Кротов Юрий Александрович, кандидат физико-математических наук, доцент, ученый секретарь, Акционерное общество «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха».

Ведущая организация

Акционерное общество «НИИ «Платан» с заводом при НИИ», г. Фрязино

Учёный секретарь диссертационного совета Д212.131.02, к.ф.-м.н., доцент

■асбв'А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и степень её разработанности.

Полупроводниковые излучатели с электронной накачкой обладают рядом характеристик, отличающих их от других источников излучения. Использование электронного пучка для накачки полупроводниковых излучателей позволяет управлять параметрами излучения путём управления электронным лучом. Это делает возможным изготовление источников, в которых возможна широкополосная амплитудная модуляция излучения, могут быть также реализованы необычные для излучателей других типов режимы работы - например, режим одномерного или двумерного сканирования диаграммой направленности излучения, работа на одной или нескольких длинах волн в спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. Возможна синхронизация световых импульсов и импульсов запуска с субнаносекундной точностью. При использовании электронно-лучевой накачки не требуется наличие р-п перехода и омических контактов, что значительно снижает технологические трудности изготовления активных элементов и появляются возможности создания излучателей в тех спектральных областях, для которых создание р-п-перехода затруднено. Использование электронного пучка особенно перспективно при разработке излучателей на основе структур ОаЫ/АЮаЫ в дальней УФ-области спектра, в которой создание материалов р-типа проводимости является весьма проблематичным.

Кроме того, так как возбуждение электронным пучком является объемным, существенно изменяются требования к транспортировке неравновесных носителей в активную зону излучателя. В связи с этим использование электронного пучка позволяет накачать значительно больший, по сравнению с инжекционными источниками (светодиодами и лазерами), объем активной среды и, соответственно, получить больший уровень выходной мощности.

Продемонстрированы возможности применений полупроводниковых излучателей на монокристаллах с накачкой электронным пучком для скоростной интерферометрии и фотографии, в системах посадки самолетов и проводки судов, для проекционного отображения информации с высоким разрешением на большом

экране, в медицине и т.д. Тем не менее, системы с использованием полупроводниковых излучателей с накачкой электронным пучком широкого распространения не получили. Главными причинами этого является высокие значения пороговой плотности тока электронного пучка и высокие напряжения (десятки и сотни киловольт). К примеру, в импульсных лазерах на основе монокристаллов максимальные уровни мощности получены при энергиях электронного пучка 250-350 кэВ. В проекционных системах отображения информации на основе таких лазеров обычно используются пучки с энергией 3050 кэВ, Использование высоких напряжений неизбежно приводит к увеличению размеров устройства и усложнению его конструкции.

Уменьшить рабочую энергию электронного пучка и пороговую плотность тока, а также повысить рабочую температуру активного элемента излучателя до комнатной можно, используя полупроводниковые гетероструктуры. Подобные структуры широко используются при изготовлении лазерных диодов. Использование многослойных гетероструктур в инжекционных лазерах позволило решить задачу эффективной локализации неравновесных носителей заряда и электромагнитного поля в активном слое. Однако, непосредственное применение в излучателях с накачкой электронным пучком результатов, полученных при разработке инжекционных источников излучения на основе гетероструктур, невозможно из-за различного по своей физической природе механизма возбуждения, различного строения активных элементов (гетероструктур) и конструкций резонатора. В литературе отмечается перспективность использования электронного пучка для накачки лазеров на основе квантоворазмерных структур. Показано, что использование таких структур с поперечной накачкой приводит к снижению порога генерации и увеличению эффективности полупроводниковых излучателей.

Однако возможности уменьшения рабочей энергии электронов для излучателей с электронной накачкой, а также оптимальные конструкции структур на основе различных полупроводниковых материалов ранее не исследовались.

Ряд параметров квантово-размерных наногетероструктур, таких, как толщины, последовательность расположения слоев, количество активных областей и их вид,

4

строение волновода неоднозначно влияют на рабочие характеристики полупроводниковых излучателей на их основе.

Диссертация посвящена изучению характеристик квантоворазмерных гетероструктур с поперечной накачкой электронным пучком и направлена на решение актуальной научной задачи - оптимизацию конструкции таких структур с целью повышения эффективности работы излучателей и снижения пороговой плотности тока и рабочей энергии электронного пучка - источника накачки лазеров на основе таких структур. Цель работы

Целью данной диссертационной работы являлась оптимизация параметров квантоворазмерных гетероструктур, направленная на улучшение их излучательных характеристик при электронно-лучевой накачке, а также исследование путей снижения рабочей энергии электронного пучка и пороговой плотности тока излучателей на основе исследуемых структур. Задачи работы

- проведение расчетов пространственного распределения концентрации носителей в структурах различных типов при различных значениях энергии электронов -источников накачки;

- исследование зависимости пороговой плотности тока от рабочей энергии электронов для лазеров различных спектральных диапазонов с поперечной накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур;

- выработка рекомендаций по оптимизации конструкций гпЗе-содержащих гетероструктур для полупроводниковых лазеров сине-зелёного диапазона с поперечной накачкой электронным пучком, позволяющих работать при низких ускоряющих напряжениях;

- экспериментальная демонстрация возможности уменьшения рабочей энергии электронного пучка - источника накачки лазеров на основе гпЗе-содержащих гетероструктур;

- оптимизация конструкций многослойных 2п8е-содержащих гетероструктур для полупроводниковых излучателей с поперечной накачкой электронным пучком, позволяющих получать высокие выходные мощности излучения;

- проведение расчётов конструкций структур на основеАЮаЛзЛгЮаАз для излучателей ИК-диапазона;

- экспериментальная демонстрация возможности уменьшения рабочей энергии электронного пучка - источника накачки лазеров ИК-диапазона;

- проведение расчётов конструкций структур AlGaN для УФ излучателей, позволяющих уменьшить рабочую энергию электронного пучка.

Научная новизна работы

При выполнении работы впервые получены следующие результаты:

- проведены расчеты пространственного распределения концентрации носителей в гпЗе-содержащих квантоворазмерных структурах при различных значениях энергии электронов накачки;

- предложена модель расчета пороговой плотности тока полупроводниковых лазеров с поперечной накачкой электронным пучком, учитывающая пространственное распределение энергии накачки, дрейф и диффузию неравновесных носителей в структуре, а также пространственное распределение электромагнитного поля поперечных типов колебаний в лазерном резонаторе;

- проведены расчеты пороговых плотности тока и мощности накачки лазеров в зависимости от энергии электронов и параметров структур, что позволило сформулировать требования к оптимальной конструкции гетероструктур для низкопороговых и мощных излучателей с электронно - лучевой накачкой (состав, толщины слоев и т.д.);

- на основе оптимизированных полупроводниковых структур получена генерация лазеров в зеленой и ИК областях спектра при рекордно низких значениях энергии электронов накачки (менее 4 кэВ при температуре Г=300 К) и намечены пути дальнейшего уменьшения энергии электронов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Предложенная модель расчета пороговой плотности тока полупроводниковых лазеров с поперечной накачкой электронным пучком учитывающая как пространственное распределение энергии накачки, дрейф и диффузию неравновесных носителей в структуре, так и распределение электромагнитного поля поперечных типов колебаний в лазерном резонаторе, может быть использована для оптимизации активных элементов лазеров на основе различных полупроводниковых структур.

Полученные в данной работе результаты и продемонстрированная возможность значительного (до значений менее 4 кэВ) уменьшения рабочей энергии электронного пучка за счет использования оптимизированных квантоворазмерных гетероструктур позволяют осуществить разработку малогабаритных отпаянных приборов — излучателей с электронно-лучевой накачкой, которые могут найти применение в медицине и различных областях техники для диагностики быстропротекающих процессов, для систем посадки летательных аппаратов и проводки судов, для систем наблюдений в условиях плохой видимости, оптической локации и т.д.

Полученные в работе научные результаты использовались при проведении исследований в рамках отечественных и международных грантов, хоздоговоров, целевых программ Минобрнауки в 2007-2015 г. в МИРЭА. Основные положения, выносимые на защиту

- Результаты расчетов пространственного распределения концентрации носителей в 2п 8 е-со держащих квантоворазмерных структурах, в структурах в аА1Ля/1пОаА Б/ваЛв, в структурах ваИЛ пваЫ/Л 1 ОаЫ при различных значениях энергии электронов накачки;

- результаты расчетов зависимости интенсивности катодолюминесценции 7пЭе-содержащих структур от энергии электронов накачки и их сравнение с экспериментальными данными;

- методика и результаты расчетов зависимости пороговой плотности тока электронного пучка от энергии электронов накачки для источников света на

основе квантоворазмерных полупроводниковых структур, позволяющих получать излучение в ИК-, сине-зелёном и УФ- диапазонах спектра;

- результаты расчетов зависимости пороговой плотности тока электронного пучка

источника накачки лазеров от параметров квантоворазмерных полупроводниковых структур;

- экспериментальное достижение режима генерации лазеров на основе гпБе-содержащих квантоворазмерных структур, а также структур ОаА1А5/1пОаАз/ОаАз при рекордно низких (менее 4 кэВ) значениях энергии электронов накачки при температуре 7=300 К;

- рекомендации по дальнейшему снижению рабочей энергии электронов накачки в лазерах на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Согласие полученных результатов расчётов интенсивности катодолюминесценции, зависимостей порогов генерации излучателей от энергии электронов с результатами эксперимента, а также соответствие полученных зависимостей порогов генерации от параметров полупроводниковых структур с имеющимися в литературе данными по лазерам с оптической накачкой на аналогичных структурах свидетельствуют о научной обоснованности и достоверности выводов диссертации. Личный вклад соискателя

Автор принимала участие в разработке и отладке программ, используемых для расчётов распределений концентраций неравновесных носителей заряда, распределения поля в резонаторе, зависимостей пороговой плотности тока от энергии электронов. Автором проведены расчёты пространственного распределения неравновесных носителей в различных гетероструктурах при их накачке электронным пучком, зависимостей пороговых характеристик излучателей от энергии электронов накачки и параметров структур. При непосредственном участии автора проведены экспериментальные исследования зависимостей пороговой плотности тока от энергии электронов для излучателей зелёного и ИК-диапазонов.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, восьми глав основного содержания и заключения, содержит 141 страниц, включая 60 рисунков, 6 таблиц и списка цитируемой литературы из 86 наименований. Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских 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 в промышленности 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 «Полупроводниковые лазеры: 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 и приборы»,- 2013,-Москва.

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 33 работы, из которых 12 в реферируемых журналах (10 в журналах из списка ВАК) и 21 в сборниках трудов конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность выбранной темы, излагаются цели и

задачи диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые

на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость полученных

результатов, представлена структура диссертации.

Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором

рассматривается современное состояние теоретических и экспериментальных

исследований светоизлучающих полупроводниковых гетероструктур, проводимых в

РФ и за рубежом. Рассмотрены лазеры с накачкой электронным пучком и

приводится их принцип работы.

Во второй главе описывается теоретическая модель, на основе которой

производились расчёты распределения неравновесных носителей в

полупроводниковых гетероструктурах с учетом диффузии и дрейфа носителей за

счёт внутреннего поля многослойной структуры.

Расчёт пороговой плотности тока при различных значениях энергий

электронов накачки проводится в структурах различных типов с учётом как

пространственного распределения неравновесных носителей, так и распределения

электромагнитного поля в волноводе. Поскольку в рассматриваемых в работе

структурах толщины слоев много меньше их остальных размеров, рассматривался

одномерный случай.

Распределение концентрации п неравновесных носителей определялось из

стационарного уравнения Фоккера—Планка

О = — £>(*)— + — и—- у{х)п + Щх), сЬс ах ах ах

где п(х) - концентрация неравновесных носителей, IV (х) - накачка, которая определяет пространственное распределение концентрации рождающихся носителей, £>(*)= 1?/т(х) - коэффициент диффузии, I - диффузионная длина, т(х) -время жизни носителей, и = /Жъ/е - эффективный потенциал, связанный с разной шириной запрещенной зоны Е& в разных слоях структуры, е - заряд электрона, ц -

подвижность. Подобный подход при вычислении концентрации носителей в

слоистых структурах был ранее использован в работе [1]

10

В диссертации предполагалось, что функции D{x), U(x\ т{х) кусочно постоянны и, возможно, испытывают разрывы при конечном числе значений x = xi,x2,...,xk_1 (х0 =0 - граница среды). Поскольку в это уравнение входит лишь производная от U{x), то эффективный потенциал U(x) определяется с точностью до постоянной. Можно, например, положить его равным нулю в одном из слоев структуры. Все величины зависят от х, тем самым, заданием значения U в каждом слое обеспечивается возможность вычисления распределения концентрации для любого числа слоев структуры. Предполагалось, что накачка отлична от нуля в конечной области значенийх. Тогда при дс-»+°о концентрация должна стремиться

к нулю. Граничные условия на свободной поверхности: D(0)—(0) = £я(0), где s -

dx

скорость поверхностной рекомбинации.

Зная пространственное распределение носителей и их концентрацию п0(Е0) в активном слое ( Е0 - энергия электронного пучка), можно рассчитать эффективность сбора неравновесных носителей в слоях структуры, зависимость пороговых значений плотности тока и мощности накачки от энергии пучка и параметров структуры. Эффективность сбора г] неравновесных носителей в активных слоях структуры вычислялась следующим образом

jn AV

_ акт. слой

jndV '

весь объем

В диссертационной работе рассматривается воздействие электронных пучков с плотностью тока ~> 0,1-10 А/см2 на достаточно совершенные структуры с малой концентрацией дефектов, и поэтому при вычислении зависимости пороговой плотности тока yth и мощности накачки от энергии пучка и параметров структуры можно считать, что количество носителей линейно зависит от плотности тока j , а именно п = jn0( Е0 ), где п0(Еа) - вычисленная концентрация носителей в активной области структуры при попадании на единицу площади поверхности структуры одного электрона с энергией Еа.

Для достижения генерации необходимо, чтобы коэффициент усиления достиг порогового значения определяемого длиной резонатора, поглощением в

материале, коэффициентами отражения зеркал. Коэффициент усиления зависит от концентрации неравновесных носителей, определяемой накачкой и их взаимодействием с полем электромагнитной волны. Следуя [2], считаем, что коэффициент усиления g пропорционален произведению концентрации носителей п на фактор оптического ограничения Г, который определяется как отношение интенсивности света, приходящейся на активный слой, к суммарной интенсивности света, приходящейся на все слои:

|£2<IV

^_ акт. слой

¡еЧУ'

весь объё.и

Следуя работам [2,3] распределение поля Е по глубине структуры определялось из волнового уравнения:

дх~

где Р - волновой вектор в направлении оси волновода, к0 =2л/Л - волновой вектор в вакууме, е(х) - зависящая от глубины л: диэлектрическая проницаемость (ее

значения отличаются в разных слоях структуры).

Поскольку пороговая концентрация носителей пл и пороговый коэффициент усиления определяются, соответственно, как и,ь =улп0(Е0) и glh ~плГ то

Ль ~8&'Гп0(Е0).

Для определения величины пороговой плотности тока при конкретном значении энергии электронов накачки была написана программа, которая сначала рассчитывает распределение в волноводе поля поперечной моды с заранее выбранным номером и фактор оптического ограничения, затем рассчитывает распределение носителей, установившееся в результате накачки, диффузии и дрейфа, и, наконец, производит вычисление пороговой плотности тока в относительных единицах у'1Ь = \/Гп0(Е)

В третьей главе описываются используемые при расчётах пространственные распределения потерь энергии электронов в полупроводниковых материалах, применяемых в лазерах с электронно-лучевой накачкой.

Пространственное распределение потерь энергии электронов накачки в различных материалах вычислялось в целом ряде работ. При расчетах в разных работах учитывались различные механизмы взаимодействия электронов с атомами кристалла, сечения взаимодействия не всегда были определены с достаточной точностью. В ряде работ не приводятся подробные данные об учитываемых механизмах взаимодействия. В результате пространственные распределения потерь, полученные в различных работах, существенно отличаются.

Всё сказанное выше свидетельствовало о необходимости уточнения пространственного распределения энергии электронов накачки в исследуемых

структурах. В результате совместной работы с ВНИИЭФ были проведены расчеты этих распределений с учетом современных данных по сечениям взаимодействия электронов с веществом [4]. Получены аппроксимационные формулы, позволяющие определить

распределение поглощённой

энергии электронов в различных материалах. Примеры расчёта пространственного распределения энергии электронов накачки в гпЯе приведены на Рисунке 1. Данные прост-ранственные распределения потерь энергии электронов использовались в работе для вычислений параметров излучателей с электронной накачкой.

В четвёртой главе приводятся результаты исследования зависимости интенсивности катодолюминесценции от параметров структур и энергии электронов накачки.

Х.ПШ

Рисунок 1 .Распределение энергетических потерь в 7п5е при различных энергиях электронного пучка.

Заметим, что используемые в качестве активных элементов полупроводниковых лазеров многослойные гетероструктуры состоят из тонких слоев, толщины которых составляют доли микрона. В связи с этим при наблюдении спектров катодолюминесценции с поверхности структуры перепоглощением излучения в этих слоях можно пренебречь. Таким образом, интенсивность люминесценции отдельных слоев структуры пропорциональна концентрации носителей в них.

4972 300 к

■ ■ ■

■

■ 16 kV ■ ■

■

.,,......

5 35

§3.0

о

ф 2,5

М

тз

О 2,0

5 10 15 го 25 30

e-beaiT. accelerating voltage, keV

2 4 6 В 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 E.keV

в

Рисунок 2. Экспериментальная (А) и расчётная (В) зависимости интенсивности катодолюминесценции из 2пБе - квантовой ямы со вставкой слоя Сс15е - квантовых точек от энергии электронного пучка.

На Рисунке 2 приводятся экспериментальная и расчётная зависимости интенсивности катодолюминесценции от энергии электронов при постоянном токе накачки, полученные для одной из гпБе-содержащих структур.

Совпадения экспериментальной и расчётных зависимостей удаётся добиться в

предположении, что время жизни в ограничивающих волновод слоях на порядок

меньше времени жизни в остальных слоях структуры. Это может быть связано с

дефектностью ограничивающих слоев 7п]У^88е

Результат сопоставления полученных зависимостей свидетельствует о

правильности модели, используемых распределений энергии потерь электронов

накачки и выбранных параметров структур.

В пятой главе приведены описания и характеристики исследуемых

полупроводниковых гпБе - содержащих структур, а также представлены результаты

14

расчётов пространственного распределения концентрации неравновесных носителей заряда в различных типах структур.

Структуры были выращены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs. Эти труктуры содержат нижний и верхний ограничивающие слои Zno.sMgo.iSo.isSeo.ss толщиной от 0,7 мкм до 1,5 мкм и от 0 до 0,1-0,2 мкм, соответственно, симметричный или ассиметричный волновод в виде сверхрешётки ZnSSe/ZnSe общей толщиной от 0,2 мкм до 1,3 мкм и активную область в виде обычной одиночной ZnCdSe квантовой ямы (QW) или ZnSe QW с CdSe дробно-монослойной вставкой в центре. Кроме того, исследовались гетероструктуры на основе ZnSe с волноводом с плавным изменением показателя преломления (варизонные структуры), представляющим собой последовательный набор короткопериодных напряженных сверхрешеток ZnMgSSe/ZnSe и ZnSSe/ZnSe с изменяемым соотношением толщин ZnSe ям и ZnMgSSe барьеров, обеспечивая при этом плавное снижение ширины запрещенной зоны (увеличение показателя преломления) к активной области структуры [5].

Пример пространственного распределения концентрации носителей п(х)представлен на Рисунке 3. Видно, что

неравновесные носители, за счет диффузии и дрейфа в поле, эффективно собираются в активных слоях структуры. Верхняя часть графика, изображающего распределение концентрации носителей п(х) по слоям структуры, лежит значительно выше рамок рисунка, их концентрация в активном слое на два-три порядка (см. вкладку на Рисунке 3) превышает концентрацию носителей в остальных слоях структуры.

Х,пт

Рисунок 3. Пространственные распределения концентрации носителей (черная кривая) в структуре при энергии электронного пучка Е0 = 7юВ , потерь энергии электронного пучка с!Е01с1х (зелёная кривая) и

электрического поля (красная кривая) по глубине структуры. Пунктирные линии - границы волновода.

В шестой главе приводятся результаты расчётов зависимости эффективности сбора носителей в активной области структуры, пороговых значений плотности тока и мощности накачки лазеров на основе 2п5е-содержащих полупроводниковых структур с одиночной активной областью от энергии электронного пучка и качества границ слоёв структуры. Показано, что характер зависимости эффективности сбора носителей от энергии практически не зависит от строения волновода и активной области.

Показано, что при всех энергиях электронов накачки наибольшее влияние на величину эффективности сбора носителей, пороговых значений плотности тока и плотности мощности накачки оказывает поверхностная рекомбинация на границах слоёв, непосредственно примыкающих к активной области (квантовой яме).

В седьмой главе приводятся результаты расчётов зависимости излучательных характеристик 2п8е-содержащих структур от положения квантовой ямы в пределах волновода, размера волновода, ширины внешнего и внутреннего ограничивающих волновод слоёв. Представлены также результаты расчётов излучательных характеристик полупроводниковых структур с множественными квантовыми ямами.

Показано, что:

- оптимальное положение активной области в волноводе зависит от энергии электронов накачки и размеров волновода;

- толщина внешнего слоя структуры не должна превышать 10-20 нм, что особенно важно при малых (менее 7 кэВ) значениях энергии электронов накачки;

- толщина внутреннего ограничивающего волновод слоя должна быть не менее 800-1000 нм.

Таким образом, при каждой энергии электронов существует своя оптимальная конструкция структуры.

Для снижения пороговой плотности тока и рабочей энергии электронов необходимо обеспечить максимальную эффективность сбора неравновесных носителей в активную зону лазера, а также максимальную эффективность взаимодействия носителей с полем электромагнитной волны, что может быть достигнуто выбором энергии электронов накачки. Для этого необходимо, чтобы

совпали максимумы распределения потерь энергии электронов, распределения поля основной моды в резонаторе и положения квантовой ямы. Для увеличения фактора оптического ограничения ширина волновода должна быть уменьшена до величины, при которой уверенно возбуждается волноводная мода и подавляющая часть энергии поля не уходит за его пределы (обычно - 300-350 нм). При размере волновода ~ 300 нм максимум распределения поля совпадает с максимумом накачки при энергии электронов ~ 15 кэВ. Таким образом, оптимальное (с точки зрения снижения пороговой плотности тока) значение энергии электронов накачки в конечном счете определяется значением длины волны (в материале) излучения лазера.

Экспериментально продемонстрирована возможность получения генерации лазеров на основе гп8е-содержащих структур при рекордно низких значениях энергии электронов - 3,2 кэВ за счёт уменьшения толщины внешнего слоя структуры до 10 нм. Из сравнения расчетов с экспериментальным данными следует возможность дальнейшего уменьшения рабочей энергии электронов в лазерах данного типа до величины 1 — 2 кэВ.

На основании проведенных расчетов для многоямных структур можно сделать следующие выводы:

- при увеличении толщины волновода И, количество возможных возбуждающихся в нем поперечных типов колебаний возрастает (от 2 при А = 0,6 мкм до 6 при й = 1,8 мкм), однако отличие порогов возбуждения различных поперечных мод незначительно.

- различие порогов возбуждения различных мод возрастает при уменьшении энергии электронного пучка менее 20кэВ, т.е. изменение энергии электронов может являться эффективным способом управления модовым составом излучения лазера.

- при оптимальном расположении активной области, пороговая плотность тока для структуры с одиночной квантовой ямой всегда ниже, чем для многоямной структуры.

В восьмой главе приводятся результаты расчётов характеристик полупроводниковых структур для УФ и ИК-диапазонов.

17

Выполненные в диссертации расчёты зависимостей пороговой плотности тока от энергии электронов накачки и параметров структур АЮаЛз/1пОаАя/СаЛв для лазеров ИК-диапазона позволили сформулировать требования к оптимальной конструкции структуры. Такая структура была выращена в НИИ «Полюс» и на её основе нами экспериментально была получена генерация в ИК-диапазоне при комнатной температуре активного элемента с рекордно низким значением пороговой плотности тока электронов накачки - 0,35 А/см2.

В заключении формулируются основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

- Показано, что в исследованных ZnSe- содержащих квантоворазмерных структур неравновесные носители, за счет диффузии и дрейфа в поле, эффективно собираются в активных слоях структуры, их концентрация в активном слое на два-три порядка превышает концентрацию носителей в остальных слоях структуры.

- Предложена модель расчета пороговой плотности тока лазеров на основе различных типов квантоворазмерных структур с электронно-лучевой накачкой, учитывающая как распределение электромагнитного поля в волноводе, так и пространственное распределение неравновесных носителей в структуре. Выполнено сравнение полученных расчётных и экспериментальных зависимостей интенсивности люминесценции от энергии электронов накачки, подтверждающее справедливость предложенной модели.

- Установлено, что при всех энергиях электронов накачки наибольшее влияние на величину эффективности сбора носителей, пороговых значений плотности тока и плотности мощности накачки оказывает поверхностная рекомбинация на границах слоёв, непосредственно примыкающих к активной области.

- Установлено, что при малых энергиях электронов накачки определяющее влияние на величину пороговой плотности тока лазеров на основе 2п8е- содержащих квантоворазмерных структур оказывает толщина внешнего ограничивающего слоя структуры. Впервые нами получена генерация при комнатной температуре с использованием активного элемента на основе структуры с толщиной ограничивающего слоя 10 нм при рекордно низком значении энергии электронов накачки - 3,2 кэВ. Даны рекомендации для дальнейшего уменьшения энергии электронов накачки.

18

- Выполненные расчёты, показывают, что при создании люминесцентных источников света для увеличения интенсивности катодолюминесценции необходимо увеличивать энергию электронов накачки и использовать структуры с множественными квантовыми ямами. В то же время, для снижения пороговой плотности тока лазеров с электронной накачкой предпочтительнее структуры с одиночной квантовой ямой.

- Впервые экспериментально получена генерация в ИК-диапазоне при комнатной температуре активного элемента с рекордно низким значением пороговой плотности тока электронов накачки - 0,35 А/см2. Этот результат был получен с использованием структуры AlGaAs/InGaAs/GaAs, конструкция которой была оптимизирована по результатам проведённых нами расчётов и выращена в НИИ «Полюс».

- Выполненные расчёты пространственного распределения неравновесных носителей в структурах на основе нитридов алюминия, индия и галлия, позволили объяснить наблюдаемые в экспериментах спектры катодолюминесценции.

Цитируемая литература

1. Богданкевич, О.В. Варизонные структуры в полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением / О.В. Богданкевич, H.A. Борисов, Б.А. Брюнеткин, С.А. Дарзнек, В.Ф. Певцов //Квантовая электроника. - 1978. -№ 6. -С. 1310.

2. Кейси, X. Лазеры на гетероструктурах в 2-х томах / X. Кейси, М. Паниш. -М.: Мир, 1981.-Т. 1.-С. 69.

3. Bergmann, M.J. Optical-field calculations for lossy multiple-layer AlrGa,_rN/lnIGa,_xN laser diodes / M. J. Bergmann, H. С. Casey // J. App. Phys. -1998.-Vol. 84. -No. 3.-P. 1196—1203.

4. Донской, E.H. Распределение плотности возбуждения в полупроводниковых лазерах на основе ZnSe с накачкой электронным пучком / E.H. Донской, Е.В. Жданова, А.Н. Залялов, М.М. Зверев, C.B. Иванов, Д.В. Перегудов, О.Н. Петрушин, Ю.А. Савельев, И.В. Седова, C.B. 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 index waveguide / S.V. Gronin, S.V. Sorokin, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, E.V. Zdanova, M.M. Zverev // Physica Status Solidi (b). -2010. - Vol.7. - №6. -P. 1694-1696.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах из

списка ВАК

1. Зверев, М.М. Лазер зеленого диапазона на основе ZnSe-содержащих структур с накачкой электронным пучком с энергией менее 10 кэВ/ М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, C.B. Иванов, С.И. Гронин, И.В. Седова, C.B. Сорокин, П.С. Копьев// Письма в ЖТФ. -2007. -Т. 33 (24).-С. 1-7.

2. Зверев, М.М. Эффективный полупроводниковый лазер зеленого диапазона с электронно-лучевой накачкой на основе многослойных наноструктур AnBVI/ М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, И.В. Седова, С.И. Гронин, C.B. Сорокин, C.B. Иванов, П.С. Копьев // ФТП. -2008. -Т. 42(12).-С. 1472-1477.

3. Донской, E.H. Распределение плотности возбуждения в полупроводниковых лазерах на основе ZnSe - содержащих квантоворазмерных структур с накачкой электронным пучком / E.H. Донской, Е.В. Жданова, А.Н. Залялов, М.М. Зверев, C.B. Иванов, Д.В. Перегудов, О.Н. Петрушин, Ю.А. Савельев, И.В. Седова, C.B. Сорокин, М.Д. Тарасов, Ю.С. Шигаев // Квантовая электроника. - 2008. -Т. 38(12). -С.1097-1100.

4. Зверев, М.М. Импульсный нагрев активных элементов низкопороговых зеленых лазеров с накачкой электронным пучком на основе наноструктур I1-VI / М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, C.B. Иванов, Д.В. Перегудов, C.B. Гронин, И.В. Седова, C.B. Сорокин, П.С. Копьев // Оптика и спектроскопия. - 2009. -Т. 107(3).- С. 410-414.

5. Зверев, М.М. Влияние нелинейных эффектов на процессы разрушения активных элементов лазеров с электронно-лучевой накачкой на основе ZnSe - содержащих квантоворазмерных структур / М.М.Зверев, В.О. Вальднер, H.A. Гамов, Р.В. Есин, С.И. Гронин, Е.В.Жданова, С.В.Иванов, П.С. Копьев, Д.В. Перегудов, И.В. Седова, C.B. Сорокин, В.Б. Студенов И Оптика и спектроскопия.-2011.-Т. 111(2). - С. 208-211.

6. Зверев, М.М. Импульсный полупроводниковый лазер ИК диапазона с накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерной структуры InGaAs/AlGaAs / М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, М.А. Ладугин, A.A. Мармалюк, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов // Оптика и спектроскопия. - 2011. - Т. 111(2). -С. 212-213.

7. Зверев, M.M. Сканирующий лазер импульсно-периодического действия на основе ZnSe - содержащих гетероструктур с накачкой электронным пучком / М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, Д.В. Перегудов, C.B. Гронин, И.В. Седова, C.B. Сорокин, П.С. Копьев, C.B. Иванов // Оптика и спектроскопия. - 2013. -Т. 114 (6). - С. 920-922.

8. Зверев, М.М. Катастрофическая деградация импульсных лазеров на основе гетероструктур AlGaAs/lnGaAs/GaAs с электронно-лучевой накачкой / М.М. Зверев, В.О. Вальднер, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, М.А. Ладугин, A.A. Мармалюк, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов // Оптика и спектроскопия. -2013.-Т. 114(6). - С. 923-925.

9. Зверев, М.М. Исследование постепенной деградации ZnSe- содержащих многослойных наноструктур - активных элементов лазеров с электронно-лучевой и оптической накачкой / М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, C.B. Гронин, И.В. Седова, C.B. Сорокин,

C.B. Иванов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2013. -№1. - С. 27-30.

Ю.Сорокин, C.B. Молекулярно-пучковая эпитаксия гетероструктур широкозонных соединений АПВ VI для низкопороговых лазеров с оптической и электронной накачкой / С.В.Сорокин, C.B. Гронин, И.В.Седова, М.В.Рахлин, М.В. Байдакова, П.С. Копьев, А.Г. Вайнилович, Е.В. Луценко, Г.П. Яблонский,

H.A. Гамов, Е.В.Жданова, М.М.Зверев, С.С.Рувимов, С.В.Иванов // ФТП. -2015. -Т. 49(3). - С. 342-348.

Статьи, опубликованные в научных журналах, индексируемых в Scopus и Web

of Science

11.Zverev, М.М. Green electron-beam pumped laser arrays based on II-VI nanostructures / M.M. Zverev, S.V. Ivanov, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.B. Studionov,

D.V. Peregoudov, I.V. Sedova, S.V. Gronin, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, I.M. Olikhov // Phys. Status Solidi. -2010. - В 247(6). -P. 1561-1563.

12.Gronin, S.V. ZnSe-based laser structures for electron-beam pumping with graded index waveguide / S.V. Gronin, S.V. Sorokin, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, E.V. Zdanova, M.M. Zverev // Phys. Status Solidi. - 2010. -B 7(6).-P. 1694-1696.

Печатные работы в трудах научных конференций.

13.М.М. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.B. Studionov, D.V. Peregoudov,

I.V. Sedova, S.V. Gronin, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, I.M. Olikhov, S.V. Ivanov Green Electron-Beam-Pumped Laser Arrays based on II-VI Nanostructures / 14th

International Conference on II-VI Compounds. -August 23-28, 2009. St. Petersburg, Russia. Program and abstracts. - P. 188.

14. M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.B. Studionov, D.V. Peregoudov, I.V. Sedova, S.V. Gronin, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, S.V. Ivanov ZnSe-based laser structures for electron-beam pumping with graded index superlattice waveguide / 14th International Conference on II-VI Compounds. -August 23-28, 2009. -St. Petersburg, Russia. -Program and abstracts. - P. 187.

15.M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.B. Studionov, D.V. Peregoudov, S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, I.V. Sedova, S.V. Gronin, P.S. Kop'ev Calculation of the threshold pump power for electron beam excited lasers based on multilayer heterostructures / Proceedings of 17th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". - June 22-26, 2009. - Minsk, Belarus. - P. 35-36.

16.M.M. Зверев, H.A. Гамов, E.B. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, С.В. Иванов, С.В. Сорокин, С.И. Гронин, И.В. Седова, П.С. Копьев, И.М. Олихов Многоэлементные лазеры с поперечной накачкой электронным пучком на основе ZnSe-содвржащих гетероструктур / 7 th Belarusian-Russian Workshop «Semiconductor Lasers and Systems». -1-5 June 2009. -Minsk, Belarus. -C. 258-262.

17. M.M. Зверев, H.A. Гамов, E.B. Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов,

C.В. Иванов, С.В. Сорокин, С.И. Гронин, И.В. Седова, П.С. Копьев, И.М.Олихов Лазерные сборки с электронно-лучевой накачкой на основе квантоворазмерных структур ZnCdSe/ZnMgSSe / Труды IX Российской конференции по физике полупроводников. - Новосибирск — Томск. -28 сент.-З окт. 2009.

18. M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.B. Studionov, D.V. Peregoudov, S.V. Ivanov, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, S.V. Gronin, P.S. Kop'ev On a possibility to reduce the electron beam energy used for pumping of ZnSe-based green laser heterostructures / Proceedings of the 10th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2010), pp. 19-22, Sevastopol, Crimea, Ukraine, September 12-14,2010.

19.M.M. Zverev, V.O. Vainer, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, V.N. Studionov,

D.V. Peregoudov, I.V. Sedova, S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev The influence of nonlinear effects on the work of electron-beam pumped pulsed lasers based on ZnsE-containing nanostructures / Abstracts of 14 Int. Conf. on Laser Optics "LO -2010". - June 28 - July 2, 2010. - St. Petersburg, Russia. - P. 71.

20.M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zdanova, D.V. Peregoudov, V.B. Studionov, A.A. Marmaluk, M.A. Ladugin Pulsed electron beam pumped IR laser based on

InGaAs/AlGaAs QW heterostructures / Abstracts of 14th International Conference Laser Optics 2010, - P.71, - St-Petersburg, Russia.

21.M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, D.V. Peregoudov, V.B. Studionov, A.A. Marmalyuk, M.A. Ladugin InGaAs/AlGaAs-nanostructure based pulse laser pumped by electron beam of 3.5 — 15 keV energy / Proceedings of 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". - June 20-25, 2011. - Ekaterinburg, Russia. - P. 31-32.

22.M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, D.V. Peregoudov, V.B. Studionov, S.V. Ivanov, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev The CdSe/ZnSe QD pulsed electron beam and optically pumped lasers emitted in yellow spectral range / Proceedings of 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". - June 20-25, 2011. - Ekaterinburg, Russia.

23.M.M. Зверев, P.B. Есин, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, С.В. Иванов, И.В. Седова, С.В. Сорокин, П.С. Копьев Исследование сборок лазеров на основе ZnSe-содержащих наноструктур с оптической связью между элементами / Наноматериалы и наноструктуры - XXI век,- №1. - т. 3,- 2012. - стр. 37-41.

24.Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, М.М. Зверев, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов,

A.В. Мазалов, В.А. Курешов, Д.Р. Сабитов, А.А. Падалица, А.А. Мармалюк Лазер сине-фиолетового диапазона с накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерной структуры InGaN/GaN. / Труды Международной научно-технической конференции «фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2012), 3-7 декабря 2012 г, стр. 19-22. Москва.

25.Н.А. Гамов, Е.В.Жданова, М.М.Зверев, С.В.Иванов, П.С. Копьев, Д.В. Перегудов, И.В. Седова, С.В. Сорокин, В.Б. Студенов Импульсные лазеры на основе ZnSe-содержащих полупроводниковых гетероструктур с накачкой низкоэнергетичными электронами / 9th Belarusian-Russian Workshop «Semiconductor Lasers and Systems». - 28-31 May 2013. - Minsk, Belarus.- стр. 100103.

26. Е.В. Жданова, М.М. Зверев, Д.В. Перегудов Стойкость различных полупроводниковых материалов к разрушению при пространственно неоднородном энерговкладе / 9th Belarusian-Russian Workshop «Semiconductor Lasers and Systems». - 28-31 May 2013. - Minsk, Belarus. - стр. 104-106.

27. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В.Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов,

B.А. Курешов, А.В. Мазалов, Д.Р. Сабитов, А.А. Мармалюк Импульсный лазер с

электронно-лучевой накачкой на основе квантоворазмерной структуры

23

InGaN/GaN / Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы».- Москва. - 13 - 15 июня 2013 г.-стр. 13-14.

28.N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, М.М. Zverev, A.A. Marmalyuk, M.A. Ladugin, I.A. Anishchenko, T.A. Bagaev, D.V. Peregoudov, V.B. Studionov Pulse low-energy electron beam pumped IR-lasers based on InGaAs/AIGaAs/GaAs nanoheterostructures / 12th International Conference on Fiber-Optical Networks Modeling LFNM'2013. -11-13 September 2013. - Sudak, Ukraina. - Conference Proceedings. - pp 82-83.

29. M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, D.V. Peregoudov, V.B. Studionov, S.V. Gronin, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov The effect of mercury lamp irradiation on the threshold current density of electron beam pumped ZnSe-based lasers / Proceedings of 16th International Conference Laser Optics, LO 2014. - 30 June-4 July 2014. - St-Petersburg, Russia. DOI: 10.1109/L0.2014.6886303

30.M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, D.V. Peregoudov, V.B. Studionov, S.V. Gronin, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov Pulsed electron beam pumped laser based on ZnCdSe MQW structure with high threshold of catastrophic degradation / Proceedings of 16th International Conference Laser Optics, LO 2014. - 30 June-4 July 2014. - St-Petersburg, Russia. DOI: 10.1109/L0.2014.6886304

31. M.M. Зверев, H.A. Гамов, Е.В.Жданова, В.Б. Студенов, A.B. Мазалов, В.А. Курешов, Д.Р. Сабитов, A.A. Падалица, A.A. Мармалюк Лазер с поперечной накачкой электронным пучком на основе структуры AlGaN/InGaN/GaN. / 4-й Всероссийский симпозиум с международным участием "Полупроводниковые лазеры: физика и технология",- Санкт-Петербург. - 10-13 ноября 2014 года. -Программа и тезисы докладов. - стр. 39.

32. М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, A.B. Мазалов,

B.А. Курешов, Д.Р. Сабитов, A.A. Падалица, A.A. Мармалюк Импульсный лазер с электронно-лучевой накачкой на основе квантоворазмерной структуры InGaN/GaN / Материалы Международной научно-технической конференции INTERMATIC - 2014. -Москва. - 1-5 декабря 2014 г.- часть 4,- стр. 113-115.

33.М.М. Зверев, H.A. Гамов, Е.В.Жданова, Д.В. Перегудов, В.Б. Студенов,

C.В. Иванов, И.В. Седова, С.В. Сорокин, П.С. Копьев, М.Д. Тарасов, E.H. Донской, А.Н. Залялов Пространственное распределение концентрации носителей и порог генерации лазеров на основе гетероструктур с накачкой электронным пучком / 6-th Belorussian - Russian Workshop "Semiconductor lasers and Systems". - 4-8 June 2007. -Minsk, Belarus. - Book of papers. - pp. 154-157.

Заказ № 0581. Бумага офсетная.

Тираж 100 экз. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5 Отпечатано в типографии ООО «Аналитик» г. Москва, ул. Клары Цеткин, д. 18, стр. 3 . Тел. 617-09-24