Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые лазеры с катодно - лучевой накачкой генерируют когерентное излучение, охватывающее широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области) Наиболее известный тип данного лазера - это лазерная электронно-лучевая трубка (ЛЭЛТ) /1-3/, которая может быть использована в системах высококачественного отображения информации на больших экранах, в том числе в телевидении высокой четкости В ЛЭЛТ осуществляется двумерное сканирование лазерного луча путем сканирования электронным пучком поверхности лазерного экрана (ЛЭ) Проекция изображения с помощью лазерных лучей отличается от других не лазерных проекций лучшей передачей цветов Возможны другие решения лазерного проектора, например, с помощью двумерной матрицы лазерных диодов (ЛД), либо мощных ЛД с излучением трех основных цветов и светоклапанного устройства, осуществляющего пространственно-временное управление Среди этих решений проектор на основе ЛЭЛТ отличается простотой организации двумерного изображения, что в конечном итоге может привести к меньшей цене устройства в целом, особенно для относительно мощных проекторов.
Однако, высокий порог генерации и малый срок службы при комнатной температуре (КТ) активного элемента - ЛЭ в этих лазерах сдерживают их широкое применение Ожидается, что улучшение рабочих характеристик ЛЭ может быть достигнуто путем использования многослойных эпитаксиальных структур с квантовыми ямами (КЯ) /4/, в основном за счет диффузии неравновесных носителей из барьерных областей вКЯ
Перспективность использования структуры с многими КЯ в лазерах с продольной накачкой электронным пучком была впервые продемонстрирована в работе 151. Структура содержала более 150 КЯ ZnCdSe/ZnSe и была выращена методом МПЭ на подложке GaAs (100) При комнатной температуре была достигнута генерация на длине волны 484 нм с мощностью в 1,6 Вт в одной продольной моде резонатора. Позже на аналогичной структуре с большим содержанием Cd в КЯ было достигнута мощность в 2,2 Вт на длине волны 493 нм /6/ Однако при этом не удалось существенно снизить порог генерации по сравнению с лазером с монокристаллической активной областью. Он составил примерно те же jи, = 50 А/см2, но при более низкой энергии электронов Ее = 40 кэВ Последующий анализ показал, что для заметного уменьшения порога генерации необходимо уменьшать число КЯ. В работе /7/ исследовалась катодолюминесценция (КЛ) структур ZnCdSe/ZnSe, выращенных методом МПЭ на подложке GaAs (100) и содержащих 4, 15, 30 и 100 КЯ
Толщина структур равнялась 15» к^ад5ндтом~с уменъшеаием числа КЯ увеличивалась
Би,.. ТКА І- і. icpdjpr МОбРК
-2-толіиина барьерною слоя В ходе исследования было обнаружено, что при переходе от структур с 100 КЯ к структурам с 4 КЯ интенсивность линии КЛ КЯ при КТ увеличивается примерно в 4 раза, что свидетельствует о росте эффективности сбора носителей в КЯ с увеличением толщины барьерного слоя
Затем в работе /8/ на структуре, содержащей 15 КЯ ZnCdSe/ZnSe, выращенной на прозрачной подложке ZnSe (001) удалось получить генерацию при комнатной температуре, но порої овая плотность по току была велика, так как, по-видимому, структура была не оптимизирована
Таким образом, до начала диссертационной работы предполагаемые преимущества низкоразмерной структуры в качестве активной среды лазеров с накачкой электронным пучком не были реализованы
Настоящая диссертационная работа посвящена поиску оптимальной конструкции гетероструктуры для получения лазера с продольной накачкой электронным пучком с высокой выходной мощностью и достаточно низким порогом генерации при комнатной температуре по сравнению с лазерами на основе объемных монокристаллов
Лель работы Высокий порог генерации может быть обусловлен как недостаточно высоким качеством используемых структур, что в свою очередь связано еще с несовершенством технологии эпитаксиального роста соединений АіВб, так и с тем, что активная структура и резонатор не были взаимно оптимизированы Необходимость такой оптимизации вытекает из следующих соображений Для достижения порога необходимо выбирать меньшее число КЯ, что определяется увеличением концен грации носителей в КЯ Оптимальное число КЯ находится в пределах 15 25, распределенных по толщине 3 5 мкм структуры, и связано с длиной диффузии носителей. При этом период структуры находится вблизи 0 2 мкм Длина волны в структуре также близка к этой величине X/N « 0.2 мкм, при X - 0 63 мкм и N - 3 15 Характеристики лазера будут существенно зависеть от того, как КЯ будет разметена относительно узлов и пучностей стоячей волны резонатора
Работа в основном проводилась со структурами GalnP/AlGalnP, технология получения которых достаточно совершенна На основе этих соединений можно получить красное излучение, используемое для дисплейных применений
Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие основные задачи: разработка технологии изготовления активного элемента (ЛЭ);
теоретическое моделирование работы лазера на основе низкоразмерной структуры с резонансно - периодическим усилением;
контроль периода структуры по спектру фотоотражения (ФО) и катодолюминесценции (ЮТ),
исследование температурной зависимости спектров ФО и КЛ,
зксперимеїпальное исследование характеристик лазера в зависимости от параметров структуры и температуры
Научная новизна и практическая значимость работы состоит в применении принципиально новой конструкции лазерной гетероструктуры на основе AlGalnP для получения эффективной лазерной генерации в красной области спектрального диапазона Структура содержит набор КЯ, разделенных широкими барьерными слоями таким образом, чтобы КЯ были расположены вблизи пучностей генерируемой моды резонатора. Такая структура получила название структуры с резонансно - периодическим усилением Среди значимых результатов диссертационной работы следует отметить
Предложена теоретическая модель лазера, учитывающая распределенную обратную связь в активной структуре, которая удовлетворительно описывает экспериментальные данные.
Отстройка периода структуры от резонанса, при котором КЯ находятся в пучностях стоячей волны, соответствующей максимуму линии усиления КЯ, приводит к изменению пороговых характеристик лазера с продольной накачкой электронным пучком Установлено, что для удержания порога генерации в пределах 10 % увеличения от минимального значения необходимо, чтобы период структуры был в пределах ± 0.7 % от резонанса
Периодическое изменение показателя преломления использованных структур влияет на пороговые характеристики и спектр излучения наблюдается длинноволновый сдвиг длины волны генерации и рост порога генерации по мере увеличения скачка показателя преломления на гетерограницах. Однако порог может быть уменьшен путем небольшой отстройки периода структуры от резонанса или введения "дефектного" барьерного слоя, отличающегося от остальных барьеров толщиной
Впервые реализован лазер с накачкой электронным пучком на структуре с резонансно-периодическим усилением на длине волны 635 - 640 нм с выходной мощностью 9 - 10 Вт с КПД 12 % и порогом генерации по току 25 мкА (8 А/см2) при КТ и 40 кэВ При 95 С достигнута выходная мощность 6 Вт с порогом генерации по току 84 мкА (28 А/см2) при 40 кэВ. Полученные значения в несколько раз лучше
-4-значений, наблюдаемых на лазерах с продольной накачкой электронным пучком на основе объемных монокристаллов
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модель лазера, в которой учитывается периодическое распределение КЯ в структуре, изменение показателя преломления вдоль оси резонатора, изменение зонной диаграммы гетероструктуры с ростом концентрации неравновесных носителей
-
Влияние периодического изменения скачка показателя преломления на гетерограницах использованных структур на пороговые характеристики
-
Зависимость характерне гик лазера на низкоразмерной структуре с накачкой электронным пучком от отстройки периода структуры относительно резонанса, при котором КЯ находятся в пучностях стоячей волны, соответствующей максимуму линии усиления КЯ
-
Температурные зависимости характеристик лазера
-
Получение генерации на структуре с резонансно - периодическим усилением и накачкой электронным пучком при КТ с достаточно высокой выходной мощностью и низким пороговым значением тока по сравнению с лазерами на основе объемных монокристаллов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и семинарах
4-th Belarusian-Russian Workshop Semiconductor laser and system, 20 - 22 May 2002 Minsk, Belarus
11* International Symposium "Nanostructures Physics and Technology" Ioffe Institute June 23 - 28, 2003 St Petersburg, Russia
семинар в городе Минске, Белоруссия, Институт Общей физики, декабрь 2003
12th International Symposium "Nanostructures Physics and Technology" Ioffe Institute June 21-26, 2004 St Petersburg, Russia
"4^ International Conference on Physics of Light-Matter coupling in Nanostructures" June 29-July 3, 2004 St Petersburg, Russia
"\7Л International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy" May 30 - June 4,
2004 Lahaina, Maui, Hawaii
Публикации. Но теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них - 5 статей и 5 работ в материалах конференций
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы
