Полупроводниковый лазер на основе квантоворазмерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

003490758 На правах рукописи

Козловский Владимир Иванович

Полупроводниковый лазер на основе квантоворазмерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 8 ЯНВ ?дю

Москва, 2009 г.

003490758

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор И.И. Засавицкий

доктор физико-математических наук, профессор В.Г. Тункин

доктор физико-математических наук, профессор А.Ф. Глова

Ведущая организация - Учреждение Российской академии наук

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита диссертации состоится " " марта 2010 года в 4А часов на заседании диссертационного совета Д 002.023.03 Учреждения Российской академии наук Физического института им. П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_"_2009 года.

сор/ / А. 2ч. >Ь2с>о}.

Общая характеристика работы

Актуальность. Данная работа связана с поиском решения фундаментальной проблемы создания малогабаритных, эффективных и дешевых источников монохроматического излучения в видимой области спектра для информационных технологий и дисплейных применений. На сегодняшний день предложен целый ряд перспективных схем отображения информации на большой экран, реализация которых сдерживается отсутствием соответствующих источников излучения. Наиболее востребованы источники направленного излучения с уровнем выходной мощности от 0.1 до 10 Вт и шириной линии излучения менее 10 нм. Большинству перечисленных требований соответствуют полупроводниковые лазеры [1, 2]. Среди них лазеры с инжекционной накачкой имеют широкие применения в различных областях науки и техники. Однако существует проблема с освоением видимого диапазона спектра для этих лазеров.

В последнее время значительные успехи были достигнуты в реализации фиолетового инжекционного лазера на основе гетероструктур Оа1пМ/СаАИпМ. В инженерной разработке фирмы №сЫа уже достигнута выходная мощность 10 Вт в области 400-410 нм с коэффициентом полезного действия (КПД) лазера примерно 10 %. Однако попытки продвижения в видимую область спектра путем увеличения содержания 1п в твердом растворе Оа1пЫ натолкнулись на серьезные трудности, связанные с сегрегацией 1п. Лишь совсем недавно удалось получить генерацию в сине-голубой области спектра (455-495 нм), но КПД лазера падает до 1-5 %. Кроме того уровень мощности этих лазеров ограничивается 20 мВт [3].

Еще раньше, в 1991 году [4], был впервые реализован инжекционный лазер на основе гпБе, излучающий в зеленой области спектра, но все усилия последних лет по увеличению срока службы этого лазера до уровня, позволяющего перейти к промышленному освоению, пока не увенчались успехом [5]. Одной из причин деградации лазера это ухудшение р-типа проводимости используемых структур при высоких уровнях возбуждения. Лишь в красной области спектра хорошие параметры достигнуты на инжекционных лазерах, у которых активной средой являются гстсроструктуры СаАИпР. Однако для ряда применений эти лазеры имеют недостаточно высокое качество светового пучка.

Последнее время существенный прогресс получен в реализации второй гармоники твердотельных лазеров с оптической накачкой лазерными диодами,

излучающими в инфракрасной области спектра [6]. Эти лазеры работают на определенных длинах волн, задаваемых твердотельными активными элементами, и по эффективности и габаритам они уступают полупроводниковым лазерным источникам света. В связи с этим ряд зарубежных фирм (в частности, Coherent [7]) предприняли попытку замены твердотельных лазеров на полупроводниковые лазерные преобразователи. Эти преобразователи по существу являются полупроводниковыми лазерами с оптической накачкой излучением инжекционных ИК лазеров. Конструктивно преобразователь содержит так называемый вертикальный резонатор с внешним зеркалом, в который помещена квантоворазмерная ге-тероструктура, обеспечивающая резонансно-периодическое усиление. Сами ин-жекционные лазеры имеют недостаточно хорошее качество лазерного пучка, что затрудняет его преобразование во вторую гармонику. Использование внешнего зеркала позволяет получить одномодовую генерацию с дифракционной расходимостью излучения и реализовать эффективное внутрирезонаторное преобразование во вторую гармонику, то есть генерировать излучение в видимой области спектра. Однако преобразование во вторую гармонику и необходимость использования нелинейного кристалла снижает эффективность лазера и усложняет его конструкцию.

Для дисплейных применений перспективными являются полупроводниковые лазеры с накачкой электронным пучком. Эти лазеры были впервые предложены и созданы в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН [2, 8,9]. Также как и при инжекционной накачке возможны две схемы реализации лазера: с поперечной и продольной накачкой. При поперечной накачке порог генерации по энергии электронов обычно ниже. Однако при продольной накачке легче реализуется хорошая направленность излучения и одночастотный режим генерации, достигается более низкий порог по току электронного пучка и высокая средняя мощность излучения. В обоих случаях КПД может быть выше 10 %, что почти на порядок превышает КПД используемых в настоящее время ксеноновых ламп в цветных дисплеях высокого качества.

Таким образом, оба типа лазеров: как с продольной, так и поперечной накачкой электронным пучком, - являются перспективными источниками монохроматического излучения в видимой области спектра, где до сих пор пока не созданы достаточно эффективные и дешевые источники света. Кроме того, ла-

зерная электронно-лучевая трубка, основанная на лазере с продольной накачкой, является наиболее перспективным активным дисплеем. Преимущество накачки электронным пучком над инжекционной накачкой связано с отсутствием необходимости создания высокой проводимости р- и п-типа в широкозонных материалах, необходимых для реализации излучения в видимой области спектра.

Однако до начала данной работы потенциальные возможности лазеров с накачкой электронным пучком не были в полной мере реализованы. Высокие пороги генерации при комнатной температуре в лазерах на основе монокристаллов и неприемлемо высокие используемые энергии электронов не позволяли перейти к их коммерческому освоению. В связи с этим работа, посвященная улучшению характеристик этих лазеров, представляется актуальной.

Целью работы является создание полупроводниковых лазеров с продольной накачкой электронным пучком и лазерных электронно-лучевых трубок (ЛЭЛТ), работающих при комнатной температуре, освоение новых спектральных диапазонов в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, уменьшение порога генерации и увеличение КПД лазера, снижение энергии электронов накачки, разработка новой активной среды, основанной на квантоворазмерных ге-тероструктурах.

В ходе работы решались следующие основные задачи:

- развитие теории работы лазера с активной средой в виде периодической гете-роструктуры, помещенной в микрорезонатор;

- обоснование условий, при которых квантоворазмерная гетероструктура обеспечивает достижение генерации при комнатной температуре с высоким КПД;

- детальный расчет температурных распределений в активной области лазера;

- решение ряда технических и технологических проблем реализации требуемых параметров квантоворазмерных гетероструктур, излучающих в красной, зеленой и синей областях спектра;

- исследование гетероструктур с разрывами зон П-ого типа и гетероструктур с гексагональной кристаллической решеткой в качестве активной среды лазера;

- реализация генерации в УФ области спектра с высоким КПД при комнатной температуре.

Научная новизна работы состоит в том, что в лазерной физике развито новое научное направление - полупроводниковые лазеры на основе квантовораз-

мерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком.

- Развита теория генерации вынужденного излучения в периодических гетерост-руктурах, помещенных в микрорезонатор.

- Обнаружен и теоретически исследован эффект фотонного кристалла, обусловленный периодическим изменением показателя преломления гетероструктуры, на спектральные и пороговые характеристики лазера.

- Впервые выполнен детальный расчет температурных распределений в активном элементе лазера.

- Рассчитана эффективность транспорта неравновесных носителей из барьерных слоев в слои квантовых ям, подтвержденная экспериментальными данными.

- Теоретически обосновано и экспериментально доказано существенное преимущество квантоворазмерных гетероструктур перед монокристаллами при работе лазера при комнатной температуре.

- Впервые реализована генерация на ряде квантоворазмерных гетероструктур, излучающей в зеленой, синей и ультрафиолетовой областях спектра, в том числе на гетероструктуре П-ого типа и гетероструктуре с гексагональной кристаллической решеткой, выполненных из соединений А2В6.

- Проведено детальное исследование диаграммы направленности лазеров с микрорезонатором при различных режимах возбуждения электронным пучком. Предложена модель, объясняющая все наблюдающиеся особенности диаграммы направленности.

- Впервые реализована генерация с внешним зеркалом обратной связи на основной поперечной моде резонатора с расходимостью, определяемой дифракционным пределом.

Практическая ценность работы состоит в том, что в ней предложены и реализованы различные варианты достижения генерации в красной, зеленой, синей и ультрафиолетовой областях спектра. Рассчитаны и определены основные требования к квантоворазмерным гетероструктурам для достижения низкого порога и высокого КПД генерации при комнатной температуре. Выявлены основные технологические проблемы использования гетероструктур соединений А2В6.

Полученные результаты используются в научных исследованиях, проводимых Учреждением Российской академии наук Физическим институтом им.

П.Н. Лебедева РАН, Учреждением Российской академии наук Институтом радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Учреждением Российской академии наук Научным центром волоконной оптики РАН. Они стимулировали разработку лазеров для дисплеев и фотолитографии в американской компании Principia LightWorks Inc., которая вложила в развитие данного направления несколько миллионов долларов, в том числе частично финансировала исследование полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Были получены несколько российских и американских патентов по результатам проведенных исследований. Интерес к данной работе проявили компании Sony, Ushio, Samsung, Thomson и другие. Для компаний Samsung и Thomson по контрактам были изготовлены установки для исследования полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком. Полученные результаты представляют ценность также для разработчиков лазеров с оптической накачкой и лазерных диодов на основе изученных материалов. Результаты работы являются основой для постановки опытно-конструкторской работы по созданию отпаянных приборов для последующего промышленного освоения нового поколения квантоскопов на Федеральном государственном унитарном предприятии НИИ «Платан» с заводом при НИИ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Потенциальное преимущество квантоворазмерной гетероструктуры перед монокристаллической активной областью достигается лишь при малом числе квантовых ям (КЯ), когда ширина барьерных слоев становится сравнимой с длиной волны генерируемого излучения в структуре. Реализация этого преимущества требует тщательного согласования длины волны моды резонатора, положения КЯ в резонаторе и спектрального максимума оптического усиления.

2. Периодические гетероструктуры, используемые в лазере, обладают свойствами фотонного кристалла и существенно изменяют модовый состав микрорезонатора. Предложенный теоретический подход позволяет вычислить связанные с этим эффектом изменения в пороге генерации. Порог генерации уменьшается при введении в фотонный кристалл «дефектных слоев», определенной толщины.

3. Предложенный метод расчета эффективности транспорта неравновесных носителей из барьерных слоев в КЯ. Необходимость согласования ширины барьерных слоев с длиной диффузии носителей в этих слоях.

4. Оптическое усиление зависит от эффективности локализации неравновесных носителей и степени перекрытия волновых функций электрона и дырки в КЯ. Это предъявляет определенные требования к энергетической диаграмме ге-тероструктуры. Коэффициент оптического усиления в гетероструктуре П-ого типа составляет менее 10 % от коэффициента усиления в гетероструктуре I типа с полным перекрытием волновых функций электрона и дырки в КЯ при одинаковой плотности неравновесных носителей.

5. Расчеты температурных распределений в активном элементе лазера и их экспериментальное подтверждение. Необходимость различать адиабатический, средний и фоновый нагрев точки активного элемента лазера в момент прихода в нее электронного пучка. Адиабатический нагрев приводит к температурному градиенту поперек оси резонатора. На фоновый нагрев влияет не только эффективность охлаждения, но и режим сканирования активного элемента. Фоновый и адиабатический нагрев по-разному влияют на характеристики лазера.

6. Особенности диаграммы направленности лазера при работе в непрерывном режиме в точке определяются возникновением тепловой линзы, в режиме медленного сканирования - тепловым клином и в режиме быстрого сканирования - образованием неустойчивого резонатора из-за возникновения рассеивающей линзы, связанной с поперечным профилем показателя преломления, определяемым распределением плотности тока в электронном пучке.

7. Экспериментальное достижение низкого порога генерации (менее 8 А/см2) и высокого КПД лазера (выше 10 %) в красной области спектра (630-660 нм) при использовании квантоворазмерной гегероструктуры Оа1пР/АЮа1пР, выращенной методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ПФЭМОС). Достижение генерации с высоким КПД при использовании монолитной гетероструктуры с активной областью и двумя брэгговскими зеркалами. Эффективный транспорт достигается при ширинах барьерных слоев до 0.4 мкм.

8. Получение генерации на основной поперечной моде в резонаторе с внешним

зеркалом обратной связи. Достижение мощности более 4 Вт на длине волны 640 нм при энергии электронов 40 кэВ.

9. Температурная нестабильность и деградация гетероструктур гпСсШе/гпББе обусловлена повышенной диффузией атомов Сс! и 2п через гетерограницы в присутствии структурных дефектов, которые в свою очередь генерируются при релаксации внутренних напряжений. Использование изначально неоднородных, релаксированных КЯ повышает стабильность гетероструктуры в целом. На таких гетероструктурах достигается мощность генерации 4 Вт с КПД 4 % на длине волны 535 нм.

10. Достижение генерации с мощностью 2 Вт на длине волны 548 нм при использовании квантоворазмерной гетероструктуре Сс^Бе/СёБ, выращенной на гексагональной подложке Сс18. Более высокая стабильность излучения данной гетероструктуры при возбуждении электронным пучком по сравнению с гетероструктурой 2пС(18е/гп88е.

11. Получение генерации на гетероструктуре гпСёЗ/гпЗБе П-ого типа с малыми внутренними напряжениями. Достижение мощности 2 Вт в сине-зеленой области спектра (478 нм).

12. Одна из проблем достижения генерации на квантоворазмерной гетероструктуре гп8е/2пМ§85е в синем диапазоне спектра с высоким КПД заключается в распаде материала барьерных слоев гпЛ^БЗе на несколько кристаллических фаз, что ухудшает транспорт носителей из барьерных слоев в слои КЯ. Второй проблемой является неоднородное уширение линии излучения КЯ, обусловленное взаимной диффузией атомов Ъ\ и через гетеропереходы при повышенной температуре роста (450-460 °С) методом ПФЭМОС. Достижение высокого КПД лазера, до 10 % на длине волны 464 нм, при оптимизации ростовых условий и добавлении С<1 с концентрацией в несколько процентов в слои КЯ.

13. Получение генерации в ультрафиолетовой области спектра (365-395 нм) с использованием пленок и гетероструктур соединений А2В6. Достижение мощности генерации выше 2.5 Вт при КПД до 3 % в лазере на основе квантоворазмерной гетероструктуры 7п88е/7п1^88е, выращенной на подложках ОаР.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на междуна-

родных и национальных конференциях: LEOS summer topical meetings, 1995, Keystone, Colorado, USA; 1-ое Раб. сов. «Нитрид галлия - структуры и приборы», 1997, Москва; 8-, 10-, 11- и 12-th Eur. Workshops on MOVPE, 1999, Prague, Czech Republik; 2003, Lecce, Italy; 2005, Lausanne, Switzerland; 2007, Bratislava, Slovakia; 11-th Eur. Workshop on MBE, 2007, Hinterzarten, Germany; 9-, 11-, 13-, 15-, 16- и 17-th Int. Symp.: Nanostructures: Physics and Technology, 2001, 2003 и 2005, St.Petersburg; 2007, Novosibirsk; 2008, Vladivostok; 2009, Minsk; 3-d Int. Conf. on Physics of low-dimensional structures, 2001, Chernogolovka, Russia; VIII и IX Межд. школы-семинары по Люмин. и лазерной физике, 2002 и 2004, Иркутск; 4-, 5-, 6- и 7-ой Белорус.-Российский сем.: Полупров. лазеры и системы на их основе, 2002, 2005, 2007 и 2009, Минск, Беларусь; 15-th Int. Conf. on Indium Phosphide and Related Materials, 2003, Santa Barbara, USA; 12- и 15-th Int. Symp. Advanced Display Technologies, 2003, Korolev, и 2006, Moscow, Russia; 7 - 14-th Int. Conf. on II-VI Compounds, 1995, Edingburg, UK; 1997, Grenoble, France; 1999, Kioto, Japan; 2001, Bremen, Germany; 2005, Warsaw, Poland; 2007, Jeju, Korea; 2009, St.Petersburg, Russia; 7-th Int. Workshop on Beam Injection Assessment of Microstructures in Semiconductors, 2003, Lille, France; 4-th Int. Conf. on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures, St. Petersburg, Russia; CLEO-2005, San Jose, USA; XII Нац. конф. по росту крист., 2006, Москва; Симп. по когерентному оптич. излучению полупров. соединений и структур, 2007 и 2009, Звенигород; 4-nd Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2008), Alushta, Ukraine; Int. Conf. "Laser Optics 2008", St.Petersburg, Russia; доклад на Ученом совете ФИАН, 2007.

Публикации. Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание работы, содержит 82 печатных работы, в том числе 56 научных статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 21 работу в сборниках статей и трудах конференций и 5 патентов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 300 страниц, включая 176 рисунков, 4 таблиц и список литературы из 248 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе представлены основы работы лазера с накачкой электронным пучком. Теория и эксперимент показали, что лазер с монокристаллической активной областью может работать при комнатной температуре с выходной мощностью в несколько ватт. Для достижения генерации в синей, зеленой и красной областях спектра необходимо использовать кристаллы 7п88е, С(18 и СёББе. Однако высокие пороги (~50 А/см2) этих лазеров не позволяют снизить энергию электронов до приемлемого для практического использования уровня. Кроме того, остается масса проблем с технологией изготовления активных элементов, в частности проблема утонения кристаллов до толщины в несколько микрон. Существенное (на порядок величины) уменьшение порога генерации возможно при использовании квантоворазмерных гетероструктур, в частности периодических гетероструктур с КЯ. Однако для реализации данного преимущества необходима тщательная оптимизация гетероструктуры и резонатора лазера.

С этой целью, прежде всего, проанализирована зависимость линейного коэффициента усиления гетероструктуры с КЯ от особенностей энергетической диаграммы, кристаллической ориентации, толщин слоев КЯ и барьерных слоев. В общем виде коэффициент оптического усиления записывается в виде:

где 1аМк,Рь Е, Е0ы, боь/(„и ЦЕ,Е') - интеграл перекрытия волновых функций электрона и дырки в КЯ; сомножитель, определяющий зависимость усиления от ориентации вектора поляризации световой волны относительно кристаллической ориентации КЯ; оптическая энергия перехода; энергия, соответствующая рекомбинации электрона с края ¿-ой подзоны зоны проводимости и дырки с ¿-ой подзоны к-ой валентной зоны в КЯ, Еои = - в соответствии с правилом отбора; фактор усиления, в меньшей степени зависящий от состава КЯ и энергетической диаграммы; функции распределения Ферми для электронов и дырок по энергетическим уровням; и форма линии.

При использовании гетероструктур с ориентацией (001) в лазерах с «вертикальным» резонатором имеет место проблема получения стабильной поляри-

(1)

1 1 Е.

зации генерируемого излучения, поскольку фактор Р* изотропен по всем направлениям поляризации в плоскости структуры. Теоретически [10] и экспериментально (см. ниже) показано, что фактор Р* становится анизотропным при ра-зориентации структуры от плоскости (001), причем величина анизотропии зависит от угла разориентации.

Энергетическая диаграмма гетероструктуры оказывает влияние на усиление в основном через фактор Этот фактор близок к единице в гетерострук-турах 1-ого типа с достаточно глубокими КЯ для электрона и дырки. При конечной глубине КЯ перекрытие будет достаточно высоким лишь при определенном соотношении разрывов зоны проводимости и валентной зоны на гетеропереходе, соответствующим соотношению эффективных масс электрона и дырки. В гете-роструктурах П-ого типа, таких как ZnCdS/ZnSSe, (1фИс)2 более чем на порядок величины меньше. Тем не менее, генерация возможна при использовании более добротных резонаторов.

На рис. 1 и 2 представлены расчетные зависимости коэффициента усиления от общего разрыва ширины запрещенной зоны на гетерогранице АЕе для структуры ZnSe/ZnMgSSe и от толщины слоев ZnSe соответственно. Видно, что коэффициент усиления существенно падает с уменьшением A£g, что связано с недостаточно хорошей локализацией носителей в КЯ. Для структуры ZnSe/ZnMgSSe с АЕг = 0.3 eV наиболее низкий порог генерации можно получить для КЯ шириной = 5 нм.

0,005

0,004

0,003

ZnSe/ZnMgSSe. Т = 300 К

п = 12*1012см'2

О

0,002

0,001

0,000

п = 6*10'см

п » 5*10 см

п = 3.2*10 см"

100 200 300 400 500 600 700 800 900

дЕ0(мэВ)

1x10

С (см'2)

3x10

4x10"

Рис. 1. Зависимость коэффициента уси- Рис. 2 Зависимость коэффициента усиления КЯ при разных значениях кон- ления КЯ от концентрации неравновес-центрации неравновесных носителей от ных носителей для различных значений различия в ширине запрещенных зон КЯ и барьера. ¿^ = 6 нм. ее ширины. АЕг = 0.3.

Важным фактором достижения эффективной генерации является также высокий транспорт носителей из барьерных слоев в КЯ. Путем решения одномерного уравнения диффузии была получена формула для эффективности сбора носителей в КЯ:

1со1 = -

)

1

1

■сЩ

(2)

^ 0,4

0,0

=> 320 ни

------- = 32 ни

где Ц, - толщина барьерных слоев, г, О -время жизни и коэффициент амбиполярной диффузии носителей в этих слоях, ут - среднеквадратичная скорость дырки. На рис. 3 представлена зависимость Для раз-

личных длин диффузии. Видно, что эффективность сбора носителей в КЯ падает при-4оо воо всю 1ооо мерно на 20-30 %, когда ширина барьерных ^ слоев равна удвоенной длине диффузии. Для

Рис. 3. Зависимость эффективно- соединений А2В6 типа гпБе предельная дли-

сти сбора носителей в КЯ от тол- , , ,пл

Г на диффузии составляет величину 300-400 щины барьерных слоев для трех г

различных длин диффузии нерав- нм. Однако в реальных пленках, особенно

новесных носителей. г= 1 не, ут = выполненных из твердых растворов, длина 1.5-10 см/с.

диффузии может быть существенно меньше. Поверхностная концентрация неравновесных носителей в КЯ на пороге генерации пропорциональна пороговой плотности тока, деленной на число КЯ. Минимальный порог будет достигаться при толщинах барьерных слоев сравнимых с длиной диффузии неравновесных носителей в этих слоях. Эти толщины оказываются сопоставимыми с длиной волны генерируемого излучения в гетероструктуре. В приближении геометрической оптики пороговое условие записывается в виде:

Су, (Е)Мед =1оз- 0.5 ,

(3)

где Rlt R2 - коэффициенты отражения по интенсивности 1-го и 2-го зеркала, Los - потери в гетероструктуре и Neff - эффективное число КЯ, участвующих в генерации. Neff = N - полному числу КЯ, лишь в случае, если все КЯ помещены в пучности моды резонатора. В работе показано, что при учете отражений генерируемого излучения на гетерограницах сделать это невозможно. Периодическая гетероструктура, помещенная в резонатор, представляет собой одномерный фотонный кристалл, формирующий запрещенную оптическую зону и изменяющий модовый состав резонатора. В результате ни одна из мод не может быть согласована с периодом гетероструктуры.

Для анализа порогового условия с учетом эффекта фотонного кристалла была предложена модель лазера, содержащая пассивный микрорезонатор толщиной в один барьерный слой, образованный двумя активными зеркалами. Поясняющая схема представлена на рис. 4. Для этого модельного микрорезонатора пороговое условие записывается в виде:

зеркало 1 КЯ барьеры зеркало 2 Г, • Г2 ■ exp(2ifei,Lj,) = 1, (4)

где ?1 и гг - комплексные коэффициенты отражения плоской волны от слоистой структуры слева и справа от выделенного модельного микрорезонатора, кь и Ьь - волновое число и длина модельного микрорезонатора. Коэффициенты г, и Тг вычислялись с помощью матричного метода. Оптическое усиление КЯ и потери в кристалле учитывались в мнимой части показателей преломления слоев КЯ и барьерных слоев.

На рис. 5 видно, что увеличение скачка показателя преломления на гетерограницах приводит к выталкиванию моды резонатора из максимума линии усиления (640 нм), что приводит к росту порога генерации. Уменьшение порога генерации возможно при ведении в фотонный кристалл «дефектного слоя». На

Рис. 4. Микрорезонатор толщиной Ьь, образованный двумя составными зеркалами.

рис. 5 рассмотрен случай, когда толщину среднего барьерного слоя изменили с А/п на Мп.

Исследован температурный ... 25 кя, L+L_=;jn

режим работы лазера с накачкой сканирующим электронным пучком. Показано, что данный тип лазера характеризуется существенным температурным градиентом поперек оси резонатора вдоль направления сканирования. При этом необходимо различать адиабатический нагрев лазера, который в основном определяет температурный градиент, и фоновый нагрев, определяющий фоновую температуру активной области в момент прихода в нее электронного пучка. Фоновый нагрев в свою очередь определяется средним нагревом, зависящим от эффективности системы охлаждения, и нагревом от соседних областей, зависящим от режима сканирования. В частности, анализ показал, что более благоприятным режимом сканирования является черезстрочное сканирование. Показано также, что принципиально неустранимый адиабатический нагрев, тем не менее, может быть относительно малым (ДТ ~ 40-50 К) при оптимальном режиме возбуждения.

Рассмотрен температурный режим работы непрерывного «в точке» лазера. Показана возможность непрерывной генерации при криогенных температурах (< 100 К) для ряда объемных кристаллов, характеризующихся высоким коэффициентом теплопроводности, при использовании трехмерного охлаждения. Эти расчеты подтверждены экспериментально в лазерах на основе GaAs, InP, GaSb. Для достижения непрерывной генерации при комнатной температуре необходимо дальнейшее снижение порога генерации путем оптимизации гетероструктуры и перехода к одномерному охлаждению на подложку с высоким коэффициентом теплопроводности: Си, AIN, SiC, алмаз. Для снижения локальной тепловой на-

Рис. 5. Зависимость коэффициента порогового усиления (нижний график) и длины волны моды резонатора (верхний график), от Ап для фотонного кристалла без и с «дефектным» слоем по сравнению со случаем отстройки периода гетероструктуры от резонансного значения.

грузки необходимо также использовать толстые металлические покрытия А1, Ag.

Рассмотрена зависимость мощности и эффективности лазера с микрорезонатором от параметров резонатора и электронного пучка. Основными факторами, определяющими мощность и эффективность лазера, являются неоднородный характер возбуждения (как по глубине, так и в поперечном к оси резонатора направлении), потери энергии электронов накачки в зеркальном покрытии, через которое осуществляется возбуждение, а также поперечный температурный градиент и фоновая температура. При использовании гетероструктуры с КЯ существенными являются также потери на термализацию носителей в КЯ, определяемые различием ширины запрещенной зоны барьерных слоев и энергии квантов генерируемого излучения. Показано также, что ватт-амперная характеристика лазера может оставаться линейной выше порога генерации даже в случае заметного нагрева активной области и увеличения диаметра электронного пучка при увеличении его полного тока. При этом уменьшается наклон ватт-амперной характеристики (дифференциальная эффективность).

Исследована диаграмма направленности лазера с микрорезонатором в различных режимах возбуждения: непрерывном режиме, в режиме быстрого и медленного сканирования. В непрерывном режиме генерация в резонаторе с длиной в несколько десятков микрон достигается на основном поперечном типе колебаний устойчивого резонатора (рис. 6,а). При быстром сканировании диаграмма

Рис. 6. Диаграмма направленности лазера в непрерывном (в точке) режиме (а) - ТЕМоь при быстром (б) и медленном сканировании (в).

симметрична относительно оси резонатора, имеет основное пятно и систему колец (рис. 6,6). При использовании малых скоростей сканирования экспериментально обнаружен эффект теплового клина. В этом случае диаграмма направленности несимметрична относительно оси резонатора, смещена в сторону, противоположную направлению сканирования (рис. 6,в). Показано, что наблюдаемые особенности можно объяснить, учитывая поперечную неоднородность по-

казателя преломления, зависящую от температурного профиля и неоднородности накачки. В непрерывном режиме устойчивый резонатор формируется тепловой линзой, а при медленном сканировании диаграмма направленности определяется температурным градиентом. В случае быстрого сканирования профиль показателя преломления определяется в основном уровнем и поперечным распределением накачки, что приводит к формированию неустойчивого резонатора.

Вторая глава посвящена экспериментальной реализации основных преимуществ квантоворазмерной гетеростуктуры как активной среды полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком, излучающего в красной области спектра. На гетероструктуре Оа1пР/АЮа1пР с резонансно-периодическим усилением, выращенной парофазной эпитаксией из металлоорганических соединений (ПФЭМОС), пороговая плотность тока была снижена с 50 А/см2 (лазер на монокристалле Сс^Бе) до менее чем 8 А/см2 при комнатной температуре и энергии электронов 40 кэВ. При этом КПД лазера увеличен более чем в три раза и составил 12 %. Выходная мощность на длине волны 640 нм доведена до 9.4 Вт (см. рис. 7). Использование толстого пассивного слоя в гетероструктуре существенно увеличивает срок службы лазера по сравнению с лазером с монокристаллической активной областью. Получена высокая степень поляризации выходного излучения (более 100:1), что существенно для ряда применений. Показано, что поляризация обусловлена кристаллической ориентацией структуры (ростовой подложки) и анизотропией коэффициента усиления.

При соблюдении условий резонансно-периодического . усиления реализуется одночастотная генерация (одна продольная мода микрорезонатора), что обусловлено малой спектральной шириной модового усиления. Распределение интенсивности излу-

700 ...... -10

600- \ ✓^при 1=2 мА

500- 8

400г \ / ■е-р ш

^езоо-200- / -4ц1

100 ■2

0- • ' * ■-■-■ -0

20 25 30 35 40 45 50 Е (кэВ)

Рис. 7. Зависимость выходной мощности лазера и порогового тока от энергии электронов для лазера на основе квантоворазмерной гетероструктуры Оа!пР/АЮа1пР с 25 КЯ.

чения лазера в дальней зоне аналогично распределению, наблюдаемому в лазерах на основе монокристаллической активной области. Основная доля выходной мощности сосредоточена в центральном пятне с расходимостью 10°. При несоблюдении этих условий наблюдается генерация на двух - трех продольных модах, мощность и эффективность генерации падает, а порог растет.

Мощность излучения увеличивается с увеличением длины волны генерации путем небольшой отстройки периода структуры от резонансного значения в сторону больших значений. Наблюдаемый эффект объясняется спектрально зависимыми потерями в барьерных слоях. Условие резонансно-периодического усиления соблюдается в относительно узком температурном диапазоне, что связано с различной температурной зависимостью показателя преломления и максимума спектра спонтанного излучения. При повышенной температуре 95 °С достигнута мощность 6 Вт при пороге генерации 14 А/см2.

Показано, что однородность параметров лазерной ЭЛТ вдоль поверхности активного элемента существенно зависит от точности изготовления гетерострук-туры. Для достижения высокой однородности генерации по пороговому току (изменение порога не более чем на 10 %) период гетероструктуры не должен отличаться от оптимального значение более чем на ±0.7 % вдоль рабочей площади структуры (типично 4x3 см2). Стабилизация мощности требует более высокой точности, примерно ±0.5 % для работы при комнатной температуре. Современное оборудование для ПФЭМОС позволяет достигнуть такой точности.

Реализован эффективный лазер на основе монолитной структуры с двумя брэгговскими зеркалами и продольной накачкой электронным пучком. Достигнута мощность генерации 8 Вт на длине волны 660 нм с КПД в 7.5 % при комнатной температуре. Была использована структура Са1пР/АЮа1пР с 13 КЯ, разделен-

Рис. 8. Изображение участка скола структуры, содержащего 13 КЯ Оа1пР/АЮа1пР между фрагментами брэгговских зеркал А1-СаАвМЛАз, полученное с помощью зондово-го микроскопа в режиме полуконтактного сканирования.

ными барьерными слоями толщиной 0.4 мкм. Высокий КПД лазера свидетельствует о большой длине диффузии (>0.2 мкм) неравновесных носителей в барьерных слоях. Изображение фрагмента поперечного скола гетероструктуры. полученное с использованием атомно-силового микроскопа, представлено на рис. 8.

Реализована импульсная генерация на длине волны 625 нм с использованием внешнего зеркала обратной связи и оптической накачки. Структура Оа1пР/АЮа1пР с встроенным брэгговским зеркалом из эпитаксиальных слоев А^/АЮаАэ возбуждалась излучением второй гармоники неодимового лазера. Пиковая мощность генерации превышала 3 Вт при длительности импульса 5 не и частоте следования 6 кГц. Путем использования нелинейного кристалла ЬВО осуществлено внутрирезонаторное удвоение частоты лазера. Выходная мощность второй гармоники составила 0.6 Вт на длине волны 312.5 нм. При этом возбуждался основной поперечный тип колебаний ТЕМоо с расходимостью в 7.5 мрад, близкой к дифракционному пределу. Наблюдаемая форма импульса генерации и его задержка по отношению к импульсу накачки хорошо моделируются при использовании скоростных уравнений.

' (не)

а) б)

Рис. 9. а) Схема лазера с внешним зеркалом обратной связи: 1 - лазерная трубка, 2 - электронная пушка, 3 - фокусирующая катушка, 4 - отклоняющая катушка, 5 - высокоотражающее покрытие, 6 - наноструктура, 7 - хладопроводящая подложка (окно трубки), 8 - полупрозрачное покрытие, 9 - подложка-линза выходного зеркала; и б) импульс генерации этого лазера.

Реализована генерация при комнатной температуре на длине волны 640 нм с углом расходимости менее 10 мрад при накачке электронным пучком (схема на рис. 9,а). Использовались гетероструктура Оа1пР/АЮа1пР с отражающим покрытием и внешнее зеркало обратной связи. Мощность генерации составила более 4 Вт при длительности импульса до 30 не (рис. 9,6). КПД лазера было 4 %

при энергии электронов 40 кэВ.

В третьей главе представлены результаты по реализации эффективного лазера, излучающего в зеленой области спектра, с использованием различных гетероструктур. Первая генерация с продольной накачкой электронным пучком была достигнута на основе квантоворазмерной гетероструктуры 2пСс18е/гп8е на длине волны 493 нм, выращенной молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ). Однако при увеличении Сб в КЯ с целью сдвига длины волны в спектральную область 525-550 нм возникла проблема температурной стабильности гетероструктуры и ее деградации при высоком уровне накачки электронным пучком. На рис. 10 представлены спектры низкотемпературной катодолюминесценции (КЛ) двух гетероструктур с 19 и 20 КЯ, выращенных ПФЭМОС при Т = 430 °С. Спектры промодулированы из-за интерференции излучения, обусловленной толщиной гетероструктуры. У первой гетероструктуры (рис. 10,а) спектр КЛ смещается в коротковолновую сторону по мере увеличения энергии электронов, у второй (рис. 10,6) - он изменяется незначительно.

2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 еУ

В)

вЁЁ

480 500 520 540 2 (НМ)

Рис. 10. Спектры КЛ и фотографии изображений в люминесцентном микроскопе двух структур: 0-149 (а, в) и Б-162 (б, г). Цена малого деление - 1 мкм.

Наблюдаемое изменение спектра объясняется расплыванием нижних КЯ за время роста полной гетероструктуры (5 часов), обусловленным взаимной диффузией атомов Сс1 и Zn через гетерограницы. Взаимная диффузия стимулируется дефектами, генерируемыми релаксацией упругих напряжений, возникающих из-за рассогласования параметров кристаллической решетки слоев гете-

роструктуры и подложки ОаАБ. Следы релаксации в верхней КЯ видны на рис. 10,в. У второй гетероструктуры толщины слоев КЯ соответствуют примерно критической толщине образования дислокаций несоответствия. При этом излучение КЯ становится микронеоднородным (рис. 10,г), хотя его интенсивность остается высокой. Такие КЯ не создают существенных внутренних напряжений и стабильны при температуре роста, а также при накачке электронным пучком. На структурах с микронеоднородными КЯ удалось получить устойчивую генерацию при Л = 535 нм с мощностью до 4 Вт с КПД примерно 4 %. Порог генерации был 8 А/см2. Основные характеристики лазера представлены на рис. 11.

выращивания гетероструктур 2пСйБе/2п88е на подложках гпБе и использования их в лазерах. Проблема подготовки подложек к этипаксии решалось путем применения водородной плазмы для удаления окислов с последующей пассивацией поверхности слоем Бе. Был найден также альтернативный способ химической подготовки поверхности. В результате удалось получить генерацию в зеленой области спектра.

Однако характеристики генерации уступали характеристикам, достигнутым на гетероструктурах, выращенных на подложках СаЛв. Причина заключалась в том, что выращенную структуру не удается отделить от ростовой подложки, а присутствие части ростовой подложки и дефектного буферного слоя внутри резонатора увеличивает потери лазера. Решение проблемы связано с разработкой эпитаксиальных брэгговских зеркал. В работе демонстрируется возможность создания брэгговских зеркал на подложках ZnSe с коэффициентом отражения до 90 %, пригодных для использования в качестве выходного зеркала лазера (см. рис. 12).

Исследована также возможность

£ (кэВ)

Рис. 11. Зависимости мощности и порогового тока лазера на квантоворазмерной гетерост-руктуре гпСсйе/гпБЗе от энергии электронов. На вставке - диаграмма направленности излучения лазера.

Исследовалась возможность получения гетероструктур Сс18е/Хп8е с квантовыми точками для лазеров. Обнаружено, что облучение ростовой поверхности электронным пучком в процессе эпитаксии стимулирует формирование квантовых точек. Обнаруженный эффект объясняется повышенной миграцией атомов Сё по поверхности.

Одним из альтернативных путей создания надежного лазера зеленого диапазона является разработка технологии роста гексагональных гетероструктур. Гексагональные ге-тероструктуры более устойчивы к деградационным процессам [11]. В поисках таких гетероструктур были исследованы эпитаксиальные слои 7п8е, 2пТе, 2пСс18е, Сей, СсКБе, 2пСсй и наноразмерные гетероструктуры на их основе, выращенные на гексагональных подложках 2пСс18, СёБ и СсйЭе. Было найдено, что пленки гп8е и ЪъТе растут лишь в кубической модификации. Пленки 2пСс(8е имеют в основном смешанную структуру: гексагональную вблизи Сс18е с кубическими прослойками и кубическую вблизи 2п8е с гексагональными прослойками. Лишь пленки СёБ и твердых растворов 2пСс18 и С488е вблизи СбЭ имеют чистую гексагональную структуру с высокой эффективностью излучения при комнатной температуре. Найдено также, что зеркальная поверхность толстых (4-6 мкм) гетероструктур Сс188е/С(18 получается при разориентации подложки Сс18 на 10-16° от плоскости (0001) к плоскости (1010).

На основе квантоворазмерных гетероструктур Сс188е/Сс18 впервые была реализована генерация на гексагональной структуре из соединений А2В6, причем на гетероструктуре, имеющей энергетическую диаграмму с разрывами зон 11-ого типа. Достигнута мощность генерации в 2.1 Вт (КПД ~2 %) на длине волны 548 нм. Порог генерации был ниже, чем в лазерах с монокристаллической активной областью Сей, хотя и выше чем в лазерах на гетероструктурах гпСс!8е/гп8е. Показано, что деградационные процессы в структурах Сс188е/Сс18е происходят существенно медленнее, чем в структурах 2пСс)8е/гп8е.

Получены и исследованы гетероструктуры гпС<38/2п88е, выращенные на

Рис. 12. ТЕМ изображение поперечного среза структуры брэггов-ского зеркала с 20 парами слоев ZnCdSe и выращенных

на 2пБе методом МПЭ.

подложках ОаАэ методом ПФЭМОС. Эти гетероструктуры имеют малые внутренние напряжения, что необходимо для реализации надежного лазера, но принадлежат к классу гетероструктур 11-ого типа с относительно малым коэффициентом оптического усиления. Тем не менее, с использованием более добротного резонатора на такой гетероструктуре была получена генерация с мощностью 2 Вт на длине волны 478.5 нм.

Четвертая глава представляет результаты по достижению генерации в синей и ультрафиолетовой областях спектра. При создании лазеров синего диапазона (455-465 нм) на основе изоморфных гетероструктур гпЗе/гпМ^Зе обнаружены две проблемы. Первая заключается в реализации эффективного транспорта неравновесных электронно-дырочных пар из барьерных слоев гпГ^ЗБе с Еъ > 3 эВ в КЯ ХпБе. Препятствием является термодинамическая неустойчивость твердого раствора ZnMgSSe, проявляющаяся в его распаде на две и более кристаллические фазы по мере увеличения содержания и Б (увеличения Е&). Распад 2пМ§55е в толстых слоях наблюдается как в образцах, выращенных МПЭ, так и в образцах, полученных ПФЭМОС (см. рис. 13,а). Однако в напряженных периодических гетероструктурах, выращенных ПФЭМОС, можно добиться стабилизации кристаллической решетки твердого раствора (рис. 13,6).

Рис. 13. Спектры КЛ (Т < 14 К, £е=10 кэВ) различных эпитаксиальных пленок ТлЛ^ББе толщиной 2 мкм (а) и двух гетероструктур ZnSe/ZnMgSSe (б) с одной КЯ (нижний спектр) и 25 КЯ со стороны ростовой поверхности (средний спектр) и с обратной стороны после удаления подложки СаАэ (верхний спектр). Пленки и гетероструктуры выращены ПФЭМОС.

Вторая проблема связана с раздвоением линии излучения КЯ в многослойных гетероструктурах ZnSe/ZnMgSSe (область 433-441 нм на рис. 13,6), вы-

ращенных методом ПФЭМОС при Т = 450-460 °С на подложках ОаАБ с разори-ентацией на 10° от плоскости (001) к плоскости (111)А. Было установлено, что добавление Сс1, Mg и Б с концентрацией в несколько атомных процентов изменяет величину этого раздвоения. Наблюдаемый эффект был объяснен взаимной диффузией М» и Ъх\ через гетерограницы, стимулированный дефектами структуры. Процесс диффузии лимитируется увеличением напряжения сжатия в слоях КЯ. Выявлены две основные причины образования дефектов. Первая связана с релаксацией упругих напряжений в барьерных слоях, а вторая - с микронеодно-родностыо барьерных слоев ZnMgSSe. Вторая причина стимулируется разори-ентацией ростовой подложки.

Добавления Сс1 в квантовые ямы гпЗе с концентрацией 2-4 % замедляет процесс диффузии и увеличивает эффективность излучения гетероструктуры в целом. На основе таких гетероструктур с 30 КЯ был реализован лазер с мощностью до 10 Вт на длине волны 464 нм при комнатной температуре и накачке электронами с энергией 50 кэВ и током пучка 2 мА. Основные характеристики этого лазера представлены на рис. 14.

Рис. 14. Зависимость мощности «синего» лазера от тока электронного пучка при Ее = 42, 46, 50 кэВ (а), спектр (б) и картина дальнего поля генерации (в). Угловой размер центрального пятна в картине дальнего поля равен 10°.

Продемонстрирована возможность создания лазера для синей области спектра на структуре 2п8е/2п8;18е1_,1 с х ~ 0.3 в барьерных слоях на согласованной прозрачной подложке ZnSxSe1.x. При температуре жидкого азота достигнута

/ (мА)

б)

В)

генерация на длине волны 445 нм с выходной мощностью до 1 Вт. При комнатной температуре генерация также была получена (460 нм), однако мощность генерации составила 50 мВт. Относительно низкие значения мощности и эффективности лазера были связаны с недостаточно высоким качеством гетерострук-туры, что было вызвано плохим структурным совершенством ростовой подложки.

Методом ПФЭМОС были получены и исследованы пленки гпББе, ZnMgSSe, ZnMgS, ZnCdS и наноразмерные гетероструктуры на их основе, согласованные с подложками ваР. Эти пленки и структуры предназначались для полупроводниковых лазеров с продольной накачкой сканирующим электронным пучком, излучающих в УФ области спектра. Показано, что наилучший транспорт неравновесных носителей достигается в слоях ZnMgS1 а наиболее узкая линия излучения - в слоях гпСёБ. Однако были выявлены существенные технологические проблемы выращивания многослойных структур ZnCdS/ZnMgS. Одна из них связана с тем, что оптимальный температурный диапазон роста слоев гпСёБ значительно (на -100 К) ниже оптимального температурного диапазона роста слоев ZnMgS. Кроме того, согласованный с ваР состав ZnMgS находится вблизи фазового перехода сфалерит - каменная соль, что не позволяет вырастить толстые малодефектные зеркальные слои ZnMgS.

На основе эпитаксиальных пленок гпББе, ZnMgSSe и гетероструктур ZnSSe/ZnMgS, гпЗЗеДпМзББе были реализованы лазеры, излучающие в ультрафиолетовой области 365-395 нм при комнатной температуре (рис. 15,а), что является альтернативой лазерам на основе СаЫ. Преимуществом разработанной технологии является простота удаления ростовой подложки, что является важным для изготовления добротного микрорезонатора. Наилучшие результаты были достигнуты на основе гетероструктур ZnSSe/ZnMgSSe с резонансно-периодическим усилением. На длине волны 378 нм была получена мощность 2.8 Вт с КПД до 3 %. Пороговая плотность тока была 17 А/см2 (рис. 15,6).

Для сравнения была исследована возможность создания лазера с накачкой электронным пучком на структуре 1пва№СаМ, выращенной на сапфировой подложке. Генерацию при продольной накачке получить не удалось. При поперечной накачке сканирующим электронным пучком с энергией электронов 35 кэВ генерация была получена лишь при Т = 80 К. Мощностью генерации с одной

грани была 150 мВт на длине волны 402 нм. Порог генерации был 60 А/см2. При комнатной температуре генерацию удалось получить только при импульсной накачки мощным электронным пучком с энергией электронов 150 кэВ и длительностью в 1 не. Генерация наблюдалась на длине волны 409 нм. Порог генерации превышал 200 А/см2. Худшие характеристики лазера на основе гетерост-руктуры InGaN/GaN по сравнению с характеристиками лазера на основе ZnSSe/ZnMgSSe//GaP обусловлены тем, что структура InGaN/GaN не была оптимизирована под накачку электронным пучком. Тем не менее, эти исследования показали перспективность разработанных лазеров на основе А2В6 соединений для УФ области спектра 360-390 нм.

З-т

14000-

S12000-

Q. 10000-

Л I- 8000-

()

о 6000-

m

s о 4000-

X

ш 2000-

I

0-

УФ лазер ZnSSe/ZnMgS ) 1.

ZnSSe пленка

ZnSSe пленка I

Д ZnSSe/ZnMgSSe

ищ1'. J\ ZnMgSSe пленка

а) ^

ь

m

CL°

ZnSSe/ZnMgSSe//GaP, E= 50 кэВ, T= 300 К .

350 360 370 380 390 400

А. (нм)

б)

0.0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

/ (мА)

Рис. 15. Спектры излучения лазеров на различных эпитаксиальных пленках и гете-роструктурах (а), ватт-амперная характеристика лазера на гетероструктуре 2п88е/2п№^88е (б) и картина дальнего поля лазера (б, вставка).

В заключении формируются основные результаты работы. Итогом данной диссертационной работы является создание научно-технологических основ полупроводниковых лазеров на квантоворазмерных гетероструктурах с продольной накачкой электронным пучком, работающих при комнатной температу-

Основные результаты работы состоят в следующем: 1. Развита теория полупроводниковых лазеров с резонансно-периодическим усилением при объемной накачке сканирующим электронным пучком. Сделан анализ порогового условия лазера на основе периодической гетероструктуры с КЯ с учетом эффекта фотонного кристалла, создаваемого данной структурой. Показано, что учет отражения генерируемого излучения на гетерограницах

увеличивает порог генерации из-за вытеснения моды резонатора из максимума спектра оптического усиления. Предложены гетероструктуры с согласующими слоями, существенно уменьшающие порог генерации.

2. Исследован транспорт неравновесных носителей заряда из барьерных слоев в слои КЯ. Рассчитаны основные зависимости порога генерации и других характеристик лазера от параметров гетероструктуры: ее энергетической диаграммы, числа КЯ, толщины слоев КЯ и барьерных слоев. Определено, что минимальный порог генерации достигается в гетероструктуре 1-ого типа, обеспечивающей одинаковую локализацию электрона и дырки в КЯ, причем скачок ширины запрещенной зоны на гетеропереходе должен быть не менее 300 мэВ для работы при комнатной температуре, а толщина барьерных слоев не должна превышать удвоенную длину амбиполярной диффузии носителей заряда в этих слоях.

3. Сделан расчет температурного режима работы лазера в сканирующем и непрерывном режимах. В сканирующем режиме адиабатический нагрев приводит к существенному градиенту температуры поперек оптической оси резонатора, что уширяет спектр оптического усиления. Фоновая температура активной области до прихода в нее электронного пучка зависит не только от среднего нагрева, определяемого системой охлаждения активного элемента в целом, но и нагрева соседними возбужденными участками, определяемого геометрией сканирования. Предложены пути достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре.

4. Исследована диаграмма направленности лазеров в различных режимах возбуждения. Обнаружен эффект теплового клина при медленном сканировании. При быстром сканировании диаграмма направленности определяется неоднородностью показателя преломления, обусловленной поперечной неоднородностью накачки. При больших поперечных размерах области возбуждения по сравнению с длиной резонатора генерация происходит в каналах, когерентно несвязанных друг с другом, что определяется кинетикой генерации.

5. Впервые реализован лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры Са1пР/АЮа1пР с высокими характеристиками излучения в красной области спектра (620-660 нм). С использованием оптимизированной гетероструктуры достигнута выходная мощность лазера в 9.4 Вт на длине волны 640 нм с КПД

выше 10 % при комнатной температуре. Достигнута и исследована генерация в монолитной гетероструктуре с 13 КЯ Оа1пР/АЮа1пР и брэгговским зеркалом А1А5/АЮаАз. На аналогичной гетероструктуре с 25 КЯ получена генерация в резонаторе с внешним зеркалом обратной связи. Пиковая мощность составила 4 Вт при дифракционном качестве пучка (менее 10 мрад). При продольной оптической накачки этой гетероструктуры реализовано внутрирезо-наторное удвоение частоты лазера и получена генерация на длине волны 312.5 нм.

6. Исследованы различные пути реализации лазера с высоким КПД при комнатной температуре для зеленой области спектра на основе квантоворазмерных гетероструктур соединений А2В6. Выявлены основные технологические проблемы создания таких структур и лазеров на их основе. Обнаружена и исследована температурная нестабильность и деградация гетероструктур гпСсйе/гпБЗе, обусловленная повышенной диффузией атомов С<1 и Ъл через гетерограницы в присутствии структурных дефектов, которые в свою очередь генерируются релаксацией внутренних напряжений. Использование изначально неоднородных, релаксированных КЯ повышает стабильность гетероструктуры в целом. На таких гетероструктурах достигнута мощность генерации 4 Вт с КПД 4 % на длине волны 535 нм. Впервые реализован лазер на двух других альтернативных гетероструктурах: на гетероструктуре Сб8Бе/Сб5, выращенной на гексагональной подложке СёБ, и на гетероструктуре гпСёБ/гпББе на подложке ОаАв. Обе гетероструктуры имеют гетеропереходы второго типа. Показана более высокая устойчивость гексагональной гетероструктуры к де-градационным процессам. На гетероструктуре гпСёБ/гпБЗе с малыми внутренними напряжениями достигнута генерация с мощностью до 2 Вт на длине волны 478 нм.

7. Исследованы гетероструктуры гпЗе/ггй^ББе и лазеры на их основе для синей области спектра. Выявлены две технологические проблемы использования этих гетероструктур в лазерах. Показано, что твердый раствор гпМдББе требуемого состава склонен к распаду на несколько кристаллических фаз, что ухудшает транспорт носителей в КЯ. Однородность гпМдЗБе повышается в периодических гетероструктурах, выращенных при оптимальных условиях роста. Установлено также, что атомы диффундируют из барьерных слоев в

КЯ, увеличивая неоднородную ширину линии излучения. Показано, что существенное улучшение структуры возможно при введении в КЯ атомов Cd с концентрацией в несколько процентов. На основе таких гетероструктур реализован лазер на длине волны 464 нм с мощностью до 10 Вт и КПД до 10 %.

8. Впервые реализован и исследован лазер, излучающий в ультрафиолетовой области спектра (378 нм), на основе квантоворазмерных гетероструктур ZnSSe/ZnMgSSe, выращенных на подложках GaP. Максимальная мощность составила 2.8 Вт при КПД до 3 %. Получена генерация на длине волны 409 нм при поперечной накачке электронным пучком гетероструктуры GalnN/GaN.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.Н. Кацап, В.И. Козловский, В.Ю. Кручнов, A.B. Намм, A.C. Насибов, В.Б. Новиков, П.В. Резников, В.Н. Уласюк. Использование гетероструктур в лазерах с продольной накачкой электронным пучком. Квант, электроника, 1987, Т. 14, N.10, С. 1994-1997.

2. В.И. Козловский, П.В. Резников. Диаграмма направленности излучения лазерных ЭЛТ. Труды ФИАН, 1991, Т.202, С.34-49.

3. В.И. Козловский, П.В. Резников, Я.К. Скасырский. Расчет характеристик непрерывных лазеров с накачкой электронным пучком. Труды ФИАН, 1991, Т.202, С.192-200.

4. Н.Г. Басов, Е.М. Дианов, В.И. Козловский, А.Б. Крыса, A.C. Насибов, Ю.М. Попов, A.M. Прохоров, П.А. Трубенко, Е.А. Щербаков. Лазерная электронно-лучевая трубка на основе сверхрешетки ZnCdSe/ZnSe, работающая при Т=300 К. Квант, электроника, 1995, Т.22, N. 8, С.756-758.

5. N.G. Basov, Е.М. Dianov, V.l. Kozlovsky, A.B. Krysa, A.S. Nasibov, Yu.M. Popov, A.M. Prokhorov, P.A. Trubenko, Е.А. Shcherbakov. Laser cathode-ray tubes using multilayer heterostructures. Laser Physics, 1996, V.6, P.608-611.

6. V.l. Kozlovsky, E.A. Shcherbakov, E.M. Dianov, A.B. Krysa, A.S. Nasibov, P.A. Trubenko. Electron beam pumped laser structures based on MBE grown ZnCdSe/ZnSe superlattices. J. Crystal Growth, 1996, V.159, P.609-612.

7. В.И. Козловский, А.Б. Крыса, Й. Зёлнер, В. Таудт, М. Хойкен. Активация акцепторной примеси N в эпитаксиальном ZnSe при облучении электронным

пучком. КСФ, 1996, №3-4, С.23-29.

8. Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky, A.S. Nasibov, P.V. Shapkin. Vapour growth and characterization of bulkZnSe single crystals. J. Crystal Growth, 1996, V.161, P.51-59.

9. A.L. Gurskii, E.V. Lutsenko, G.P. Yablonskii, V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, J. Sollner, M. Scholl, H. Hamadeh, M. Heuken. Photo- and cathodoluminescence of ZnSSe quantum well heterostructures grown by MOVPE. J. Crystal Growth, 1996, V.159, P.518-522.

10. В.И. Козловский, А.Б. Крыса, П.И. Кузнецов, А.С. Насибов, А.Н. Печенов, Ю.М. Попов, В.Г. Тихонов, Г.Г. Якушева. Эпитаксиальные слои ZnSe и гете-роструктуры ZnCdSe/ZnSe, выращенные из элементоорганических соединений, для лазеров с накачкой электронным пучком. КСФ, 1996, №3-4, С. 15-22.

И. В.И. Козловский, П.А. Трубенко, А.С. Артемов, Е.М. Дианов, Ю.В. Коросте-лин, А.Б. Крыса, П.В. Шапкин, Е.А. Щербаков. Исследование квантовых ям ZnCdSe/ZnSe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках ZnSe. ФТП, 1997, Т.31, №6, С. 641-647.

12. V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, Yu.V. Korostelin, P.V. Shapkin, H. Kalisch, M. Lue-nenbuerger, M. Heuken. ZnMgSSe/ZnSe QW structures grown by MOVPE on ZnSe(lOO), ZnSe(511) and GaAs(lOO) substrates. J. Crystal Growth, 1998, V.184/185, P.124-128.

13. V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, W. Taudt, M. Heuken. Electron beam activation of acceptors in MOVPE ZnSe:N. J. Crystal Growth, 1998, V.184/185, P.435-439.

14. V.I. Kozlovsky, P.A. Trubenko, E.M. Dianov, Yu.V. Korostelin, A.B. Krysa, P.V. Shapkin. Study of ZnCdSe/ZnSe quantum wells grown by molecular-beam epitaxy on ZnSe substrates. J. Crystal Growth, 1998, V.184/185, P.872-876.

15. В.И. Козловский, П.А. Трубенко, E.M. Дианов, Ю.В. Коростелин, Я.К. Ска-сырский, П.В. Шапкин. Полупроводниковый лазер с продольной накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерной структуры ZnCdSe/ZnSe, выращенной на подложке ZnSe молекулярно-пучковой эпитаксией. Квант, электроника 1998, Т.25, № 4, С.305-307.

16. V.I. Kozlovsky, Р.А. Trubenko, Y.K. Skasyrsky. E-beam pumped blue-green VCSEL based on ZnCdSe/ZnSe MQW structure grown by MBE on ZnSe sub-

strate. Laser Physics, 1998, Vol.8, No.6, P.1068-1073.

17. В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин, А.Б. Крыса, П.И. Кузнецов, П.В. Шап-кин, Г.Г. Якушева. Катодолюминесцентное исследование гомоэпитаксиаль-ных слоев ZnSe, выращенных методом парофазной эпитаксии из элементоор-ганических соединений. КСФ, 1999, №4, С. 16-22.

18. В.И. Козловский, А.Б. Крыса, Ю.Г. Садофьев, Ф.Г. Турьянский. Эпитакси-альные слои ZnTe и квантовые ямы CdZnTe/ZnTe, выращенные на подложках GaAs(lOO) с использованием твердофазной кристаллизации затравочного аморфного слоя ZnTe. ФТП, 1999, Т.ЗЗ, №7, С.810-814.

19. А.В. Krysa, Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky, P.V. Shapkin, H. Kalisch, R. Rue-land, M. Heuken, K. Heime. Growth and characterization of ZnSe/ZnMgSSe structures on ZnSSe substrates. J. Crystal Growth, 2000, V.214/215, P.355-358.

20. V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, Yu.V. Korostelin, Yu.G. Sadofyev. MBE growth and characterization of ZnTe epilayers and ZnCdTe/ZnTe structures on GaAs(lOO) and ZnTe(lOO) substrates. J. Crystal growth, 2000, V.214/215, P.35-39.

21. P.A. Trubenko, V.I. Kozlovsky, V.V. Roddatis. Cathodoluminesence and ТЕМ studies of MBE grown CdSe submonolayers in ZnSe matrix, cladded by ZnSSe, ZnSe and ZnMgSe. J. Crystal Growth, 2000, V.214/215, P.671-675.

22. V.I. Kozlovsky, Yu.G. Sadofyev. Investigation of e-h pair compression in molecular beam epitaxy grown ZnCdSe/ZnSe multiquantum wells at volume excitation by electron beam. J. Vac. Sci. Technol. B, 2000, V.18, P.1538-1541.

23. V.I. Kozlovsky, Yu.G. Sadofyev, V.G. Litvinov. Band alignment in ZnCdTe/ZnTe and ZnCdSe/ZnSe SQW structures grown on GaAs(100) by MBE. Nanotechnol-ogy, 2000, V.ll, P.241-245.

24. В.И. Козловский, В.Г. Литвинов, Ю.Г. Садофьев. Разрыв зон в структурах с одиночной квантовой ямой Zni_xCdxTe/ZnTe, выращенных на GaAs(OOl) эпи-таксией из молекулярных пучков. ФТП, 2000, Т.34, №8, С.998-1003.

25. В.И. Козловский, П.А. Трубенко, Ю.В. Коростелин, В.В. Роддатис. Распределенные брэгтовские зеркала на основе ZnMgSe/ZnCdSe, полученные Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках ZnSe. ФТП, 2000, Т.34, №10, С.1237-1243.

26. А.В. Krysa, Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky, P.V. Shapkin, H. Kalisch, R.

Riiland, M. Heuken, К. Heime. ZnSe/ZnMgSSe QW structures grown by MOVPE on transparent ZnSSe substrates. Microelectronic Engineering, 2000, V.51-52, P. 19-26.

27. P.A. Troubenko, V.I. Kozlovsky, T. Yao, Y.V. Korostelin, V.V. Roddatis. Ho-moepitaxial distributed Bragg reflectors grown by MBE on ZnSe substrates. J. Crystal Growth, 2001, V.227-228, P.699-704.

28. В.И. Козловский, Ю.Г. Садофьев, В.Г. Литвинов. Разрывы зон в квантово-размерных структурах на основе Zn(Cd)Te, Zn(Cd)Se: расчет и эксперимент. Известия АН. Серия физическая, 2001, Т.65, №2, С.298-301.

29. В.И. Козловский, Ю.М. Попов, Ю.Г. Садофьев, Я.К. Скасырский. Влияние электронного пучка на формирование квантовых точек CdSe/ZnSe при выращивании методом молекулярно-пучковой эпитаксии. КСФ, 2001, №3, С.24-30.

30. В.И. Козловский, Х.Х. Кумыков, И.В. Малышев, Ю.М. Попов. Температурный режим работы лазерного экрана электронно-лучевой трубки (ЛЭЛТ). Квант, электроника, 2002, Т.32, №4, С.297-302.

31. V.I. Kozlovsky, V.P. Martovitsky, Ya.K. Skasyrsky, Yu.G. Sadofyev, A.G. Tury-ansky. MBE growth of II-VI epilayers and QW structures on hexagonal ZnCdS and CdSSe substrates, phys. stat. solidi (b) 2002, V.229, No.l, P.63-67.

32. P.I. Kuznetsov, V.A. Jitov, L.Yu. Zakharov, G.G. Yakushcheva, Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky. MOCVD growth of ZnSe/ZnS distributed Bragg reflectors on ZnSe(100) and GaAs(100) substrates, phys. stat. solidi (b) 2002, V.229, No.l, P.171-175.

33. V.G. Litvinov, V.I. Kozlovsky, Yu.G. Sadofyev. Deep-level transient spectroscopy and cathodoluminescence of the CdSe/ZnSe QD structures grown on GaAs(100) by MBE. phys. stat. solidi (b) 2002, V.229, No.l, P.513-517.

34. V.I. Kozlovsky, Yu.V. Korostelin, Yu.M. Popov, Ya.K. Skasyrsky, Yu.G. Sadofyev. E-beam longitudinally pumped laser based on ZnCdSe/ZnSe MQW structure grown by MBE on ZnSe(OOl) substrate, phys. stat. solidi (b) 2002, V.229, No.2,P.1033-1038.

35. Yu.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky. Vapour growth of ZnSxSe(.x single crystals, phys. stat. solidi (b) 2002, V.229, No.l, P.5-9.

36. P.I. Kuznetsov, B.S. Shchamkhalova, V.A. Jitov, G.G. Yakushcheva, V.I. Kozlovsky, K.P. O'Donnell, C. Trager-Cowan, P.R. Edwards. MOCVD Growth and Characterisation of ZnS/ZnSe Distributed Bragg Refectors and ZnCdSe/ZnSe Heterostructures for Green VCSEL. Phys. Low-Dim. Struct., 2001, V.ll/12, P .271-278

37. M.D. Tiberi, G. Sherman, V.I. Kozlovsky. The Laser cathode ray tube - A paradigm shift in illumination. SMPTE Motion Imaging Journal, 2002, V.lll, No.5, P.210-213.

38. В.И. Козловский, Я.К. Скасырский, П.И. Кузнецов, В.А. Житов, Г.Г. Якушева. Гексагональные пленки CdS, ZnCdS и CdSSe, выращенные парофазной эпитаксией из металлоорганических соединений на подложках CdS и ZnCdS. КСФ, 2002, №i, С.29-38.

39. P.I. Kuznetsov, V.A. Jitov, G.G. Yakushcheva, B.S. Shchamkhalova, L.Yu. Zak-harov, V.I. Kozlovsky, Ya.K. Skasyrsky, K.P. O'Donnell and C. Trager-Cowan. Hexagonal ZnCdS epilayers and CdSSe/ZnCdS QW structures on CdS(OOOl) and ZnCdS(OOOl) substrates grown by MOVPE. Physica E: Low-Dim. Systems and Nanostructures, 2003, V.17, P.516-517.

40. В.Г. Литвинов, В.И. Козловский, Ю.Г. Садофьев, Д.А. Санников. Исследование методами релаксационной спектроскопии глубоких уровней и катодо-люминесценции структур с квантовыми точками на основе CdSe/ZnSe. Перспективные материалы, 2003, Т. 10, №4, С.42-47.

41. В.И. Козловский, В.Ю. Бондарев, Д.А. Санников, П.И. Кузнецов, Г.Г. Яку-щева. Лазер с продольной накачкой электронным пучком на гетероструктуре CdSSe/CdS, выращенной парофазной эпитаксией из металлоорганических соединений. КСФ, 2002, №12, Ст.2

42. В.П. Мартовицкий, В.И. Козловский, П.И. Кузнецов, Я.К. Скасырский, Г.Г. Якущева. Слоистое строение пленок ZnbxCdxSe, выращенных парофазной эпитаксией из металлоорганических соединений на подложках Cdo.92Zno.08S(0001). ФТП, 2003, Т.37, №3, С.310-317.

43. V.I. Kozlovsky, V.P. Martovitsky, D.A. Sannikov, P.I. Kuznetsov, G.G. Yakushcheva, V.A. Jitov. MOVPE growth and characterization of hexagonal CdS epilayers and CdS-based QW structures on CdS and ZnCdS substrates. J. Crystal

Growth, 2003, V.248, P.62-66.

44. V.Yu. Bondarev, V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, J.S. Roberts and Ya.K. Skasyrsky. Scanning e- beam pumped resonant periodic gain VCSEL based on an MOVPE-grown GalnP/AlGalnP MQW structure. J. Crystal Growth, 2004, V.272, No. 1-4, P.559-563.

45. В.И. Козловский, Ю.М. Попов. Порог и кпд лазерной электронно-лучевой трубки при Т = 300 К. Квант, электроника, 2003, Т.ЗЗ, №1, С.48-56.

46. V.I. Kozlovsky, V.G. Litvinov and Yu.G. Sadofyev. E-beam irradiation effect on CdSe/ZnSe QD formation by MBE: deep level transient spectroscopy and ca-thodoluminescence studies. J. Phys.: Condens. Matter, 2003, V.15, P.l-8.

47. K.P. O'Donnell, C. Trager-Cowan, F. Sweeney, P.I. Kutzenov, V.A. Jitov, L.Yu. Zakharov, G.G. Yakushcheva, V.I. Kozlovsky, V.Yu. Bondarev, D.A. Sannikov. Development of CdSSe/CdS VCSELs for Application to Laser Cathode Ray Tubes, phys. stat. solidi (a) 2004, V.201, No.4, P.673-677.

48. В.Ю. Бондарев, В.И. Козловский, А.Б. Крыса, Ю.М. Попов, Я.К. Скасыр-ский. Однородность излучения лазерной ЭЛТ на основе низкоразмерной структуры GalnP/AlGalnP с резонансно периодическим усилением. Квант, электроника, 2004, Т.34, №10, С.919-923.

49. V.Yu. Bondarev, V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, J.S. Roberts, Ya.K. Skasyrsky. Scanning e-beam pumped resonant periodic gain VCSEL based on an MOVPE-grown GalnP/AlGalnP MQW structure. J. Crystal Growth, 2004, V.272, P.559-563.

50. И.П. Казаков, В.И. Козловский, В.П. Мартовицкий, Я.К. Скасырский, Ю.М. Попов, П.И. Кузнецов, Г.Г. Якугцева, А.О. Забежайлов, Е.М. Дианов. Наноструктура на основе ZnSe/ZnMgSSe для лазерной электронно-лучевой трубки в синей области спектра. Квант, электроника, 2007, Т.37, №9, С.857-862.

51. В.Ю. Бондарев, В.И. Козловский, А.Б. Крыса, Ю.М. Попов, Д.Е. Свиридов, Я.К. Скасырский. Лазерная электронно-лучевая трубка с монолитным лазерным экраном. Квант, электроника, 2007, Т.37, №9, С.853-856.

52. В.П. Мартовицкий, В.И. Козловский, П.И. Кузнецов, Д.А. Санников. Самосогласованная неоднородность квантовых ям полупроводников А2В6. ЖЭТФ, 2007, Т. 132, №6(12), С.1379-1392.

53. V.I. Kozlovsky, D.A. Sannikov, V.G. Litvinov, N.B. Rybin. Cathodoluminescence and current DLTS of MOVPE-grown CdS/ZnSSe QW structures. J. Korean Physical Society, 2008, V. 53, No. 5, P. 2864-2866.

54. В.И. Козловский, Д.А. Санников, Д.Е. Свиридов. Наноразмерные гетерост-руктуры ZnCdS/ZnSSe для полупроводниковых лазеров. КСФ, 2008, №2, С.З-10.

55. В.И. Козловский, Б.М. Лаврушин, Я.К. Скасырский, М.Д. Тибери. Лазер с внешним резонатором, работающий на длине волны 625 нм при оптической накачке наноструктуры InGaP/AlGalnP с брэгговским зеркалом. Квант, электроника, 2009, Т.39, №8, С.731-734.

56. V.I. Kozlovsky, V.P. Martovitsky. Formation of nonuniformity in ZnSe/ ZnMgSSe quantum well structures during MOVPE on GaAs(OOl) misoriented by 10° to (111)A plane. Physica B, 2009, V.404, No.23-24, P.5009-5012.

57. V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, Ya.K. Skasyrsky, Yu.M. Popov, A. Abare, M. Mack, S. Keller, U. Mishra, L. Coldren, S. DenBaars, M.D. Tiberi, T. George. Electron Beam Pumped MQW InGaN/GaN Laser. MRS Internet J. Nitride Semic. Res., 1997, V.2, Article 38.

58. В.И. Козловский, Ю.М. Попов. Лазерная электронно-лучевая трубка. Труды VIII Междун. школы-семинара по Люминесценции и лазерной физике, ЛЛФ-2002,23-28 сент. 2002, Иркутск, С.117-131.

59. V.Yu. Bondarev, V.I. Kozlovsky, A.B. Krysa, J.S. Roberts, Ya.K. Skasyrsky. Scanning e-beam longitudinally pumped RT operable laser based on MOVPE-grown GalnP/AlGalnP MQW structure. Int. J. Nanoscience, 2004, V.3, No.1-2, P.193-201.

60. V.I. Kozlovsky, V.Yu. Bondarev, D.A. Sannikov, P.I. Kuznetsov, G.G. Yaku-shcheva, K.P. O'Donnell, C. Trager-Cowan. E-beam pumped VCSEL on MOVPE-grown hexagonal CdSSe/CdS MQW structure. Int. J. Nanoscience, 2004, V. 3, No. 1-2, P.213-221.

61.В.Ю. Бондарев, В.И. Козловский, А.Б. Крыса, Ю.М. Попов, Я.К. Скасырский. Лазерная ЭЛТ на основе низкоразмерной структуры GalnP/AlGalnP с резонансно периодическим усилением. Люмин. и лазерная физика. Сб. трудов IX Междун. школы-семинара, Иркутск, Изд. Иркутский ун-та, 2005 г.,

С.4-14.

62. V.Yu. Bondarev, V.l. Kozlovsky, A.B. Krysa, J.S. Roberts, Ya.K. Skasyrsky. E-beam pumped resonant periodic gain GalnP/AlGalnP VCSEL. phys. stat. solid! (c), 2005. V.2, No.2, P.931-934.

63. V.Yu. Bondarev, V.l. Kozlovsky, I.V. Malyshev, P.I. Kuznetsov, V.A. Jitov, G.G. Yakushcheva, L.Yu. Zakharov. Electron-beam pumped blue (462 nm) VCSEL on MOVPE-grown ZnSSe/ZnMgSSe MQW structure, phys. stat. solidi (c), 2005, V.2, No.2, P.935-938.

64. M.D. Tiberi, V.l. Kozlovsky. Electron Beam Pumped VCSEL Light Source for Projection Display. Proc. SPIE, 2005, V.5740, P.60-67.

65. Y.V. Korostelin, V.l. Kozlovsky, P.I. Kuznetsov, A.I. Landman, D.A. Sannikov, M.D. Tiberi. MOVPE-grown ZnSe/ZnSSe structures for blue VCSEL with resonant periodic gain. phys. stat. solidi (c), 2006, V.3, No.4, P.900-904.

66. V.l. Kozlovsky, P.I. Kuznetsov, V.G. Litvinov, D.A. Sannikov, G.G. Yakushcheva. Electrophysical and cathodoluminescent properties of low-dimensional CdSSe/CdS structure, phys. stat. solidi (c), 2006, V.3, No.4, P.l 156-1159.

67. P.I. Kuznetsov, G.G. Yakushcheva, V.A. Jitov, L.Yu. Zakharov, B.S. Shcham-khalova, V.l. Kozlovsky, D.A. Sannikov, Ya.K. Skasyrsky, M.D. Tiberi. MOVPE growth and study of ZnCdSe/ZnSSe MQW structures for green VCSELs. phys. stat. solidi (c), 2006, V.3, No.4, P.771-775.

68. П.И. Кузнецов, Г.Г. Якущева, B.A. Житов, Л.Ю. Захаров, В.И. Козловский, Д.А. Санников. Периодические низкоразмерные структуры ZnCdSe/ZnSSe, выращенные методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, для лазеров с накачкой электронным пучком. 5-й Белорус,-Российский семинар «Полупров. лазеры и системы на их основе, 1-5 июня 2005, Минск, Беларусь, Сб. статей, С. 223-226.

69. В.Ю. Бондарев, В.И. Козловский, Б.М. Лаврушин, Ю.М. Попов. Лазеры с резонансно-периодическим усилением. 5-й Белорус.-Российский семинар «Полупров. лазеры и системы на их основе, 1-5 июня 2005, Минск, Беларусь, Сб. статей, С. 107-110.

70.1.P. Kazakov, V.l. Kozlovsky, V.P. Martovitsky, Ya.K. Skasyrsky, M.D. Tiberi, A.O. Zabezaylov, E.M. Dianov. MBE grown ZnSSe/ZnMgSSe MQW structure for

blue VCSEL. Int. J. Nanoscience, 2007, V.6, No.5, P.407-410.

71. V.Yu.Bondarev, V.l. Kozlovsky, A.B. Krysa, P.I. Kuznetsov, D.A. Sannikov, Ya.K. Skasyrsky, M.D. Tiberi, Yu.M. Popov. Laser CRT as a light source for display technology. Proc. SPIE, V.6637, paper 663707 (2007)

72.1.P. Kazakov, V.l. Kozlovsky, V.P. Martovitsky, Ya.K. Skasyrsky, M.D. Tiberi, A.O. Zabezaylov, E.M. Dianov. MBE grown ZnSSe/ZnMgSSe MQW structure for blue VCSEL. Int. J. of Nanoscience, 2007, V.6, No.5, P.407-410.

73. В.И. Козловский, Ю.М. Попов. Полупроводниковые лазеры как источники света для дисплейных технологий. Сб. статей 6-го Белорус.-Российского семин. «Полупров. лазеры и системы на их основе», 4-8 июня 2007 г., Минск, Беларусь, С.158-162.

74. В.И. Козловский, Б.М. Лаврушин, А.И. Ландман, Ю.В. Коростелин, А.Б. Крыса, П.И. Кузнецов, Ю.П. Подмарьков, Д.А. Санников, Д.Е. Свиридов, Я.К. Скасырский, М.П. Фролов. Лазеры на основе полупроводниковых соединений АгВб и А3В5 с оптической и электронной накачкой. Симп. по когерентному оптическому излучению полупроводн. соединений и структур, Звенигород, 27-29 ноября 2007 г.; Сб. трудов, М., 2008, С.37-46.

75. В.И. Козловский, П.И. Кузнецов, M.D. Tiberi. Новые результаты по полупроводн. лазерам с продольной накачкой электронным пучком. 7-й Белорус.-Российский сем. «Полупроводн. лазеры и системы на их основе», 1-5 июня 2009, Минск, Беларусь; Сб. статей, С. 96-100.

76. П.И. Кузнецов, В.И. Козловский. Рост эпитаксиальных слоев ZnSSe, ZnMgSSe и наноразмерных структур ZnSSe/ZnMgSSe методом ПФЭМОС на подложках GaP для УФ лазеров с накачкой электронным пучком. 7-й Бело-рус.-Российский семинар «Полупроводн. лазеры и системы на их основе», 15 июня 2009, Минск, Беларусь; Сб. статей, С. 263-266.

77. Б.М. Лаврушин, В.И. Козловский, Я.К. Скасырский. Генерация второй гармоники (312 нм) лазера с оптической накачкой наноструктуры 1п-GaP/AlGalnP. 7-й Белорус.-Российский сем. «Полупр. лазеры и системы на их основе», 1-5 июня 2009, Минск, Беларусь; Сб. статей, С. 167-170.

78. В.И. Козловский, Б.М. Лаврушин. Лазерная электронно-лучевая трубка. Патент России №2056665, 1996, 20 марта, Бюл. №8, с приоритетом от 28 декаб-

ря 1992.

79. V.l. Kozlovsky, В.М. Lavrushin. Laser cathode-ray tube. US Patent 5687185, 1997, Nov. 11.

80. V.l. Kozlovsky, B.M. Lavrushin. Laser electron-beam tube. European Patent No. EP 0696094 Bl, 13.10.1999 Bulletin 1999/41.

81. M.D. Tiberi, V.l. Kozlovsky. Electron beam pumped laser light source for projection television. US Patent 7309953, Dec. 12,2007.

82. M.D. Tiberi, V.l. Kozlovsky. Vertical cavity laser faceplate with diffraction grating. US Patent Application 20080175289 Al.

Список цитируемой литературы

1. H. Г. Басов, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов. ЖЭТФ, 1960, Т.40, С. 1879-1880.

2. Н.Г. Басов, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов. Вестник АН СССР, 1961, Т.З, С.61

3. К. Okamoto, J. Kashiwagi, Т. Tanaka, М. Kubota. Appl. Phys. Lett., 94, 071105 (2009).

4. M.A. Haase, J. Qiu, J.M. DePuydt, H. Cheng. Appl. Phys. Lett., 59,1272 (1991)

5. M. Adachi, H. Yukitake, M. Watanabe, K. Koizumi, H.C. Lee, T. Abe, H. Kasada, K. Ando. phys. stat. sol. (b), 229,1049 (2002).

6. P.F. Moulton, K.J. Snell, D.Lee, K.F. Wall, R. Bergstedt. High-power RGB laser source for displays. The IMAGE 2002 Conference, Scottsdale, Arizona. http://www.qpeak.com/Papers AMAGE02/Image%202002%20RGB%200PQ%20pa per.pdf

7. J. Chilla, S. Butterworth, A. Zeitshel, J. Charles, A. Caprara, M. Reed, L. Spinelli.

. Proc. SPIE, 5332,143 (2004).

8. Н.Г. Басов, O.B. Богданкевич, А.Г. Девятков. ДАН СССР, 155,78 (1964).

9. Н.Г. Басов, О.В. Богданкевич, A.C. Насибов. Авт. Свид. №270100 с приоритетом от 1967 г.; Патент США 3558956

10. Т. Ohtoshi, Т. Kuroda, A. Niwa, S. Tsuji. Appl. Phys. Lett. 65,1886 (1994).

11. В J. Fitzpatrick. Proc. SPIE, 2346, 192 (1994).

Подписано в печать Формат 60x84/16. Заказ № Тираж/0£ёкз. П. л. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН

71 11-1/102

/

На правах рукописи

Козловский Владимир Иванович

Полупроводниковый лазер на основе квантоворазмерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком

01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

11рез

I ¡решение от

|

| присудил ученую Л

: управления ВАК России

Москва, 2009 г.

Содержание

Введение 4

Глава 1 Основы работы лазера с накачкой электронным пучком 8

1.1 Введение 8

1.2 Лазер с монокристаллической активной областью 12

1.3 Порог генерации в лазере с активным элементом на основе многослойной гетероструктуры 19

1.4 Использование квантоворазмерной гетероструктуры в качестве активной среды лазера 21

1.5 Температурный режим работы активного элемента 52

1.6 Мощность излучения и эффективность лазера 64

1.7 Диаграмма направленности лазера 72

1.8 Срок службы лазера 95

1.9 Заключение к главе 1 96 Глава 2 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры

Оа1пР/АЮа1пР, излучающей в красной области спектра 101

2.1 Введение 101

2.2 Первая реализация полупроводникового лазера на гетероструктуре Оа1пР/АЮа1пР с продольной накачкой электронным пучком 102

2.3 Температурная зависимость характеристик лазера. Однородность излучения активного элемента на основе гетероструктуры Оа1пР/АЮа1пР

114

2.4 Лазер с монолитным активным элементом 121

2.5 Лазер с внешним зеркалом обратной связи 128

2.6 Заключение к главе 2 137 Глава 3 Лазер, излучающий в зеленой области спектра 140

3.1 Введение 140

3.2 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры гпСдБе/гпБе 141

3.3 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры с гексагональной кристаллической решеткой 184

3.4 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры 2пСс18/2п88е с разрывами зон II - го типа 206

2 ¿г

3.5 Эпитаксиальные брэгговские зеркала на основе соединений А В для лазера, излучающего в зеленой области спектра 215

3.6 Заключение к главе 3 226 Глава 4 Лазеры, излучающие в синей и ультрафиолетовой областях

спектра 229

4.1 Введение 229

4.2 Гетероструктуры ZnSe/ZnMgSSe, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии 231

4.3 Гетероструктуры 2п8е/2п1\^88е, выращенные методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений 237

4.4 Лазеры на основе гетероструктур 2пСс18е/2пМд88е, излучающие в синей области спектра 250

4.5 Лазер на основе гетероструктуры 2п8е/2п88е, выращенной на подложке гг^е 253

4.6 Лазеры ультрафиолетового диапазона 360-390 нм на основе пленок и гетероструктур, выращенных на подложках ваР 261

4.7 Лазер на основе гетероструктуры 1пСа]Ч/ОаК 271

4.8 Заключение к главе 4 276 Заключение 278 Литература 281

Введение

Данная работа связана с поиском решения фундаментальной проблемы создания эффективных и дешевых источников монохроматического излучения в видимой области спектра для информационных технологий и дисплейных применений. На сегодняшний день предложен целый ряд перспективных схем отображения информации на большой экран, реализация которых сдерживается отсутствием соответствующих источников излучения. Наиболее востребованы источники направленного излучения с уровнем выходной мощности от 0.1 до 10 Вт и шириной линии излучения менее 10 нм. Большинству перечисленных требований соответствуют полупроводниковые лазеры [1, 2]. Среди них лазеры с инжекционной накачкой имеют широкие применения в различных областях науки и техники. Однако существует проблема с освоением видимого диапазона спектра для этих лазеров.

В последнее время значительные успехи были достигнуты в реализации фиолетового инжекционного лазера на основе Оа1пМ/ОаАПпК структур. В инженерной разработке фирмы МсЫа уже достигнута выходная мощность в 10 Вт в области 400-410 нм с коэффициентом полезного действия (КПД) примерно 10 %. Однако попытки продвижения в видимую область спектра путем увеличения содержания 1п в твердом растворе ваММ натолкнулись на серьезные трудности, связанные с сегрегацией 1п. Лишь совсем недавно удалось получить генерацию в сине-голубой области спектра (455-493 нм), но КПД лазера падает до 4-5 %. Кроме того уровень мощности этих лазеров ограничивается 20 мВт. Наиболее длинноволновое излучение в лазерном диоде на начало 2009 года получено на длине волны чуть меньше 500 нм [3]. Мощность в непрерывном режиме составила 15 мВт с КПД меньше 1%.

Еще раньше, в 1991 году [4], был впервые реализован инжекционный лазер на основе 2пБе, излучающий в зеленой области спектра, но все усилия последних лет по увеличению срока службы этого лазера до уровня, позволяющего перейти к промышленному освоению, пока не увенчались успехом [5]. Одной из причин деградации лазера является ухудшение /?-типа проводимости используемых гетероструктур при высоких уровнях возбуждения. Лишь в красной области спектра хорошие параметры достигнуты на инжекционных лазерах, у которых активной средой являются гетероструктуры ОаАНпР. Однако для ряда применений эти лазеры имеют недостаточно высокое качество светового пучка.

В последнее время существенный прогресс получен в реализации второй гармоники твердотельных лазеров с оптической накачкой лазерными диодами, излучающими в инфракрасной области спектра [6]. Эти лазеры работают на определенных длинах волн,

задаваемых твердотельными активными элементами, и по эффективности и габаритам они уступают полупроводниковым лазерным источникам света. В связи с этим ряд зарубежных фирм (в частности, Coherent [7]) предприняли попытку замены твердотельных лазеров на полупроводниковые лазерные преобразователи. Эти преобразователи по существу являются полупроводниковыми лазерами с оптической накачкой излучением инжекционных ИК лазеров. Конструктивно преобразователь содержит так называемый вертикальный резонатор с внешним зеркалом, в который помещена низкоразмерная гетероструктура, обеспечивающая резонансно-периодическое усиление. Сами инжекционные лазеры имеют недостаточно хорошее качество лазерного пучка, чтобы можно было его эффективно преобразовать во вторую гармонику. Использование внешнего зеркала позволяет получить одномодовую генерацию с дифракционной расходимостью и реализовать эффективное внутрирезонаторное преобразование во вторую гармонику, то есть генерировать излучение в видимой области спектра. Однако преобразование во вторую гармонику и необходимость использования нелинейного кристалла снижает эффективность лазера и усложняет его конструкцию.

Для дисплейных применений перспективными являются полупроводниковые лазеры с накачкой сканирующим электронным пучком. Эти лазеры были впервые предложены и созданы в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН [8, 9]. Возможны две схемы использования таких лазеров. В первой схеме лазер работает как активный дисплей, и изображение формируется электронным пучком, в частности, путем последовательного двумерного сканирования активного элемента, выполненного в виде плоской пластины или слоя. Излучение выходит перпендикулярно поверхности пластины (слоя). Такой лазер был реализован задолго до появления так называемых поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором с инжекционной накачкой (известных как VCSEL в англоязычной литературе) и отличается от них в основном способом возбуждения. Для реализации высокого разрешения в изображении требуется изготовление активного элемента большой площади (до 12-15 см2), и в связи с этим возникают проблемы однородности и высокой стоимости активного элемента.

Во второй схеме данный тип лазеров используется как источник монохроматического излучения. В этом случае могут быть использована как продольная, так и поперечная накачка. Лазер с поперечной накачкой имеет много общего с обычным инжекционным лазером с излучением через сколотые поверхности. Преимущества и недостатки двух схем возбуждения: продольной и поперечной, - во многом схожи в инжекционных лазерах и лазерах с накачкой электронным пучком. При продольной накачке легче реализуется хорошая направленность излучения и генерация одной

продольной моды. Кроме того, порог по току электронного пучка обычно значительно ниже, и легче достигается высокая средняя мощность излучения. Однако при поперечной накачке порог по энергии электронов обычно ниже. В обоих случаях КПД может быть выше 10 %, что почти на порядок превышает эффективность используемых в настоящее время ксеноновых ламп в цветных дисплеях высокого качества. Размеры активного элемента и, соответственно, стоимость могут быть снижены более чем на порядок величины по сравнению со случаем использования в активных дисплеях.

Таким образом, оба типа лазеров: как с продольной, так и поперечной накачкой электронным пучком, - являются перспективными источниками монохроматического излучения в видимой области спектра, где до сих пор пока не созданы достаточно эффективные и дешевые источники света. Кроме того, лазерная электронно-лучевая трубка, основанная на лазере с продольной накачкой, остается наиболее перспективным активным дисплеем. Преимущества лазеров с накачкой электронным пучком над инжекционными лазерами или мощными светодиодами по-прежнему связано с отсутствием необходимости создания высокой проводимости р- и «-типа в широкозонных материалах, необходимых для реализации излучения в видимой области спектра. Однако до начала данной работы потенциальные возможности лазеров с накачкой электронным пучком не были в полной мере реализованы. Высокие пороги генерации при комнатной температуре и неприемлемо высокие энергии электронов, используемые в данном типе лазеров, не позволяли перейти к их коммерческому освоению. В этом заключалась актуальность данной работы.

Автор данной работы участвовал в разработке лазеров с катодно-лучевой накачкой, начиная с первой реализации данного типа лазеров [9]. Основные результаты исследований по лазерам с монокристаллической активной областью, выполненные в основном при криогенных температурах, были обобщены в докторских диссертациях A.C. Насибова и В.Н. Уласюка [10, 11]. В настоящей работе обобщаются результаты исследований, направленных на достижение эффективной генерации при комнатной температуре и выполненных на квантоворазмерных гетероструктурах. Диссертация посвящена в основном разработке лазеров с продольной накачкой электронным пучком, излучающих в видимой области спектра, хотя ряд полученных результатов может быть использован и в лазерах с поперечной накачкой, и инжекционных лазерах с аналогичной активной средой.

Диссертация построена таким образом, что обзор литературы не выделен в отдельную главу, а приводится непосредственно перед описанием результатов исследований по конкретной проблеме. В первой главе представлены теоретические

основы данного типа лазеров. Во второй, третьей и четвертой главах представлены экспериментальные результаты по реализации и исследованию лазеров, излучающих соответственно в красной, зеленой и сине-ультрафиолетовой областях спектра. В заключении подводятся итоги работы.

Глава 1 Основы работы лазера с накачкой электронным пучком 1.1 Введение

Основным параметром любого лазера является порог генерации по вложенной энергии или мощности накачки. Время жизни возбужденного состояния в полупроводниковых кристаллах, используемых в полупроводниковых лазерах, обычно составляет единицы наносекунд, что обычно меньше времени возбуждения, поэтому порог генерации определяется пороговой интенсивностью накачки или произведением энергии электронов на плотность тока электронного пучка. Следует, однако, заметить, что возбуждение в полупроводниковых лазерах сильно неоднородно как вдоль, так и поперек оси резонатора, и в эксперименте замеряется полный ток пучка. Особенно это относится к лазерной электронно-лучевой трубке (ЛЭЛТ), представляющей собой полупроводниковый лазер с продольной накачкой остросфокусированным сканирующим электронным пучком.

Для объяснения экспериментальных данных обычно приходится решать три задачи. Во-первых, для данной формы электронного пучка и энергии электронов находится распределение неравновесных носителей по объему полупроводниковой пластины. Во-вторых, решается задача по определению зависимости коэффициентов усиления и поглощения в полупроводнике от концентрации неравновесных носителей при заданной температуре. В-третьих, определяется стационарное решение волнового уравнение Максвелла для оптического резонатора с учетов неоднородности мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости полупроводника, связанной с распределением неравновесных носителей.

Первая задача достаточно подробно рассмотрена в монографиях [12,13]. Ее решение обычно ограничивается определением области рассеяния первичных электронов высокой энергии и нахождением условий, при которых диффузия уже термализованных неравновесных носителей за время жизни может повлиять на их окончательное распределение. В частности, диффузия к поверхности полупроводника, где иметь место поверхностная безызлучательная рекомбинация, или к структурным дефектам в приповерхностной области, образованным при обработке резонаторной поверхности, может существенно понизить концентрацию неравновесных носителей. Здесь также рассматривается задача влияния усиления спонтанного шума, распространяющегося вне оси резонатора, на концентрацию неравновесных носителей на пороге генерации. Этот эффект существенен, если поперечные размеры области возбуждения превышают обратное значение коэффициента усиления. К сожалению, в рамках первой задачи пока не рассмотрен еще один эффект, связанный с «переносом возбуждения» собственным

излучением [14], который может расширить область возбуждения и увеличить общее число неравновесных носителей на пороге генерации. Этот эффект должен проявляться сильнее при комнатных температурах, когда спектр спонтанного излучения лежит в области сильного поглощения полупроводника (коэффициент поглощения 102 -103 см"1).

Решение второй задачи о нахождении коэффициента усиления при заданной концентрации неравновесных носителей сводится в первую очередь к определению механизма генерации. Для объяснения характеристик лазеров из широкозонных соединений А2В6 было предложено несколько моделей возникновения оптического усиления [15-20]. Условно эти модели можно разделить на две группы. Модели первой группы основываются на том, что усиление связано с рекомбинацией экситонов. Либо это рекомбинация свободного экситона с отдачей импульса фонону, электрону или другого экситону [17], либо усиление происходит при рекомбинация из локализованного состояния экситона [16,19]. Модели второй группы рассматривают переходы в электронно-дырочной плазме [15,18,20]. Экситонные механизмы оптического усиления работают в основном при низких температурах и дают относительно низкие коэффициенты усиления. Они могут быть реализованы в лазерах в большой длиной усиления за один проход резонатора (например, в лазере с поперечной накачкой), причем при криогенном охлаждении. Ограничение коэффициента усиления связано с переходом экситонного газа в электронно-дырочную плазму по мере увеличения уровня возбуждения - переход Мотта [21]. Оценочное значение пороговой концентрации неравновесных носителей в ЛЭЛТ, активный элемент которой работает при комнатной температуре, значительно превышает значение концентрации при переходе Мотта. Поэтому генерацию в этом типе лазеров мы связываем с переходами в вырожденной электронно-дырочной плазме [20].

И, наконец, решение волнового уравнение Максвелла для полупроводникового лазера с использованием резонатора, в котором поперечное ограничение электромагнитного поля достигается за счет поперечной неоднородности мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости полупроводника, связанной с распределением неравновесных носителей, привело к введению так называемых конфигурационных потерь [12,13]. Конфигурационные потери являются аналогом дифракционных потерь. Они зависят от параметра неоднородности где Л -

длина волны генерации, Ьс - длина микрорезонатора, N - средний показатель преломления активной среды и йе - характерный размер (диаметр) распределения плотности тока в пятне накачки электронным пучком. Этот параметр можно назвать эффективным числом Френеля. Однако поперечное распределение электромагнитного поля определяется не

только этим параметром, но также и другими потерями резонатора. Поэтому дифракционные потери в общем случае нельзя выделить, как независимые потери. К сожалению, задача сильно усложняется, если одновременно учитывать поперечную и продольную неоднородности. Качественно, в рамках геометрической опти�