Введение к работе
С момента создания первых лазерных источников, полупроводники, как рабочее тело для лазеров, привлекли к себе особое внимание, во-первых, возможностью создания лазеров в широком диапазоне длин волн - от далекой инфракрасной области до ультрафиолетового диапазона, во-вторых, возможностью достижения больших значений КПД, близких к 100%, и в-третьих, компактностью и простотой конструкции лазерного диода. Эти возможности обусловлены как высокой концентрацией активных центров в полупроводниковом кристалле, так и особенностями их энергетической зонной структуры, обуславливающей значительно более широкий диапазон энергий для оптических переходов, чем, например, в обычных газовых лазерах, для которых характерны узкополосные дискретные переходы.
Возможность управления выходными излучательными характеристиками путем изменения таких внешних параметров как температура, давление, напряженность магнитного поля и других делает полупроводниковые лазеры (ПЛ) незаменимыми техническими устройствами и уникальными физическими объектами.
Экономичность, малые размеры и простота устройства промышленно выпускаемых сейчас лазерных диодов во многом обуславливают их дешевизну и коммерческую доступность среди лазеров всех прочих типов.
За последнее время инжекционные ПЛ получили широкое распространение в различных устройствах обработки информации, дальномерах и локационных системах, в системах волоконно-оптической связи, они также интенсивно используются для решения многих медицинских задач.
Однако реализация упомянутых преимуществ возможна только в оптимальных, с точки зрения конструкции, лазерных диодах, обладающих высокой эффективностью излуча-тельных процессов, создание и изучение которых при постоянном улучшении их люминесцентных параметров является и на сегодняшний день актуальной исследовательской задачей, определяющей дальнейшее практическое применение ПЛ.
По аналогии с тем, как в свое время открытие гетероперехода инициировало активные теоретические и практические исследования полупроводниковых лазерных диодов во всем мире, в настоящее время необходимость применения гетероструктур пониженной размерности с латеральными размерами активной области порядка длины волны де Бройля носителей в материале, представляется наиболее перспективной с точки зрения расширения возможностей полупроводниковых инжекционных лазеров. В подобных гетероструктурах вследствие пространственного ограничения инжектированных носителей проявляются эффекты размерного квантования и, как результат, осуществляется качественное видоизменение картины плотности состояний. В предельном случае носители заряда ограничены во всех трех направлениях и модификация электронных свойств выражена наиболее отчетливо.
Теоретические расчеты прогнозируют для лазеров на основе нульмерной активной области низкое значение пороговой плотности тока и ее высокую температурную стабильность, увеличение скорости модуляции и достижение более узких спектров оптического усиления.
Несмотря на то, что на практике приходится иметь дело с реальными объектами, свойства которых несколько отличаются от теоретически предсказанных (как обычно и бывает, когда появляется новый класс лазеров), использование наноостровковой активной области уже сейчас позволяет создавать принципиально новый класс полупроводниковых лазеров со значительно улучшенными характеристиками, преобладающими над свойствами лазеров на квантовых ямах.
К началу данной работы была предложена и осуществлена технология выращивания лазерных гетероструктур с активной областью на основе квантоворазмерных островков. На-нообъекты формировались в результате роста полупроводников с различающимися параметрами кристаллической решетки (InAs/GaAs, CdSe/ZnSe и др.) при соблюдении условия псевдоморфной гетероэпитаксии, когда критическая толщина образования дислокаций несоответствия превосходит критическую толщину, соответствующую началу островкового роста.
В системе материалов (ln,Ga)As/GaAs была продемонстрирована лазерная генерация при комнатной температуре, но вместе с тем отсутствовали исследования механизмов внутренних утечек, особенностей температурных зависимостей пороговой плотности тока и спектров излучения, знание которых позволяет выработать практические рекомендации по конструктивному улучшению лазерных диодов с целью достижения большей эффективности лазерных процессов.
Незначительное время жизни сине-зеленых лазеров в системе А2В6 (несколько секунд), вследствие их катастрофически быстрой деградации, не позволяло изучать свойства подобных структур и данные по исследованию излучательной рекомбинации в них отсутствовали вообще.
Целью данной работы являлось повышение эффективности излучательной рекомбинации в низкоразмерных полупроводниковых лазерных гетероструктурах при помощи детального исследования их электролюминесцентных параметров.
Для достижения указанной цели решался следующий комплекс задач:
-
Практическая реализация методик электролюминесцентного исследования процессов излучательной рекомбинации в полупроводниковых лазерах на основе низкоразмерных гетероструктур;
-
Исследование приборных характеристик инжекционных лазеров пониженной размерности;
-
Выявление особенностей спонтанной и вынужденной излучательной рекомбинации в лазерах на основе гетероструктур с активной областью квазинулевой размерности;
-
Исследование влияния температуры на основные характеристики квантоворазмерных лазерных гетероструктур;
-
Выработка и практическая реализация рекомендаций по оптимизации параметров гетероструктур с цепью улучшения выходных излучательных характеристик полупроводниковых лазерных диодов.
Приоритет представляемой работы состоит, во-первых, в самом выборе объекта для исследования - нового поколения полупроводниковых лазерных диодов, излучающих в чрезвычайно важных с практической точки зрения областях: инфракрасный диапазон (лазеры на основе соединений АЗВ5) и сине-зеленая область видимой части спектра (лазеры на основе соединений A2BS). Во-вторых, проведенные исследования являются пионерскими в данной области и полученные результаты обсуждаются впервые.
Научная новизна работы:
Исследования механизмов внутренних утечек из состояний квантоворазмерных островков в (ln,Ga,AI)As лазерных гетерострукгурах показали принципиальную возможность снижения пороговой плотности тока при комнатной температуре до значений порядка 15 А/см2.
Впервые исследованы структурные и оптические свойства InAs нанообъектов в матрице InGaAs на подложках InP. При низких температурах (77 К) реализована низкопороговая лазерная генерация при плотности тока- 11 А/см2 на длине волны 1.9мкм, что является наименьшим значением пороговой плотности тока при наибольшей длине волны излучения для инжекционных лазеров на основе гетероструктур квазинулевой размерности.
Впервые синтезированы квантоворазмеркые островки CdSe в активной области BeMgZnSe/ZnCdSe лазерных гетероструктур (сине-зеленый диапазон видимой части спектра) и проведено детальное исследование инжекционных лазеров на их основе. Реализация в гетероструктурах новой конструкции дробно-монослойной области рекомбинации позволила создать инжекционные сине-зеленые лазеры, обладающие увеличенным временем жизни. Впервые осуществлена устойчивая квазинепрерывная работа лазера с рекордно высокой выходной мощностью 200 мВт.
Практическая значимость работы:
Исследование полупроводниковых инжекционных лазеров методами электролюминесценции позволило получить принципиально новую информацию об эффективности процессов излучательной рекомбинации в лазерных структурах нового поколения.
Изучение температурных особенностей основных излучательных параметров ПЛ инжекционных лазеров на основе квантоворазмерных гетероструктур позволило выработать практические рекомендации по улучшению их приборных характеристик.
Анализ полученных результатов позволил создать новую серию низкоразмерных гетероструктур и лазерных диодов на их основе с улучшенными ватт-амперными и спектральными характеристиками. Впервые показано, что использование более широкозонной в сравнении с GaAs матрицы AIGaAs позволяет значительно подавить термическое обеднение состояний квантовых точек при комнатной температуре, являющейся основной причиной термической дефадации лазерных характеристик на их основе. Вызванное этим улучшение локализации неравновесных носителей позволило получить рекордно низкую пороговую плотность тока 62 А/см2 при комнатной температуре.
К защите представляются следующие научные положения:
-
Использование нескольких слоев квантоворазмерных островков (ln,Ga)As, помещенных в матрицу (AI,Ga)As в качестве активной области полупроводниковых инжекционных лазеров позволяет за счет увеличения энергии локализации неравновесных носителей снизить абсолютную величину пороговой плотности тока при комнатной температуре до 62 А/см2 и увеличить диапазон ее температурной стабильности до значений характеристической температуры То = 430 К.
-
Применение фосфида индия в качестве подложки для роста лазерных гетероструктур сильно модифицирует энергетический спектр состояний, локализованных в квантоворазмерных островках InAs, помещенных в матрицу (ln,Ga)As и позволяет создавать инжек-ционные лазеры, излучающие на длине волны 1.9 мкм с рекордно низкими значениями пороговой плотности тока в 11 А/см2 при 77 К.
-
Использование оригинальной конструкции квантоворазмерных гетероструктур на основе системы материалов (Be,Mg,Zn,Cd)Se позволяет создавать инжекционные сине-зеленые лазеры, обладающие увеличенным временем жизни, за счет пространственного разделения дефектных областей и областей излучательной рекомбинации, которые демонстрируют устойчивую работу с выходной мощностью 200 мВт при квазинепрерывной накачке.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и симпозиумах:
Международном симпозиуме по свойствам, получению и приборному применению структур на квантовых точках (Саппоро, Япония, ноябрь 1996 г., июнь 1998 г.); 39-й Международной конференции по электронным материалам (Форт Коллинс, США июнь 1997 г); Международной конференции CLEO Pacific Rim'97 (Chiba, Japan, июль 1997 г.); Международных симпозиумах «Наноструктуры: Физика и технология» (СПб, июнь 1998 г., июнь 1999 г., июнь 2000 г.); 2-й Международной конференции "Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering" (СПб, июнь 1998 г.); 10-й Международной конференции по полупроводниковым и изолирующим материалам (Беркли, США, июнь 1998 г.); Международной конференции CLEO/Europe-EQEC98 (Глазго, Великобритания, сентябрь 1998 г.); 1-й Международной конференции для молодых ученых по Оптике Лазеров (СПб, июнь 2000 г); Международной школе по нанотрубкам и наноструктурам "Nanotubes & Nanostructures" (Santa Margherita di Pula, Italy, сентябрь 2000 г.); Международной конференции (EURESCO) по фундаментальным аспектам науки о поверхности (Castelvechio Pascoli, Italy, октябрь, 2000 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе 11 - в реферируемых журналах и 9 - в материалах международных научных конференций.
Личный вклад автора в проведенные исследования: участие в постановке задачи, разработке и реализации экспериментальных методик исследования электролюминесцентных характеристик полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур с активной обла-
стью кваэинулевой размерности; проведение экспериментальной диагностики и обработка результатов исследований люминесцентных параметров инжекционных лазерных диодов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
