Полупроводниковый лазер с катодно-лучевой накачкой на основе низкоразмерных структур с резонансно-периодическим усилением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Бондарев Вадим Юрьевич

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР С КАТОДНО - ЛУЧЕВОЙ НАКАЧКОЙ НА ОСНОВЕ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР С РЕЗОНАНСНО -ПЕРИОДИЧЕСКИМ УСИЛЕНИЕМ

Специальность 01 04 21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

МОСКВА, 2004 г

Работа выполнена в Физическом Институте им П Н Лебедева РАН

Научные руководители

доктор физико-математических наук Ю М Попов

кандидат физико-математических наук В И Козловский

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Георгобиани А Н

кандидат физико-математических наук КалендинВ В

Ведущая организация - ФГУП НИИ ПЛАТАН с заводом при НИИ

Защита диссертации состоится " 2.$" 2005 года в часов на

заседании диссертационного совета К002 023 02 Физического Института им П Н Лебедева РАН но адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан " _ 2005 года

Ученый секретарь

Диссертационного совета _ ЧуенковВ А

смюеу о

&00Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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 эгштаксиальных структур с квантовыми ямами (КЯ) /4/, в основном за счет диффузии неравновесных носителей из барьерных областей в КЯ

Перспективность использования структуры с многими КЯ в лазерах с продольной накачкой электронным пучком была впервые продемонстрирована в работе 151. Структура содержала более 150 КЯ 2пСЖе/2п8е и была выращена методом МПЭ на подложке ваАз (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 Сс1 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 = 50 А/см2, но при более низкой энергии электронов Ке ~ 40 кэВ Последующий анализ показал, что для заметного уменьшения порога генерации необходимо уменьшать число КЯ. В работе /7/ исследовалась катодолюминесценция (КЛ) структур гпСсйе/гпБе, выращенных методом МПЭ на подложке ОаАв (100) и содержащих 4, 15, 30 и 100 КЯ Толщина структур равнялась 15» к^деи, этом "с у^ея^^^р ем числа КЯ увеличивалась

Б«,.. ТКА (< I. 1срО)рг

200£рк

толщина 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 ?,пСс18е/гп8е, выращенной на прозрачной подложке гпЭе (001) удалось получить генерацию при комнатной температуре, но поро1 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

Цель 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 А2Вб, 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 концентрации 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 МЧ » 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 Оа1пР/АЮа1пР, 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 катодолюминесцешши (КЛ),

• исследование температурной зависимости спектров ФО и КЛ,

• экспериментальное исследование характеристик лазера в зависимости от параметров структуры и температуры

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в применении принципиально повой конструкции лазерной гетероструктуры на основе А1Сга1лР 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 гетерогранидах. 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

значений, наблюдаемых на лазерах с продольной накачкой электронным пучком на основе объемных монокристаллов

Основные положения, выносимые на защиту:

1 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

2 Влияние периодического изменения скачка показателя преломления на гетерограницах использованных структур на пороговые характеристики

3 Зависимость характерис 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

4 Температурные зависимости характеристик лазера

5 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

• 1 Iе1 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 "Nanosiructures Physics and Technology" Ioffe Institute June 21 -26, 2004 St Petersburg, Russia

• "4ttl International Conference on Physics of Light-Matter coupling in Nanostructures" June 29-July 3, 2004 St Petersburg, Russia

• "12^ 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

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертации, отражена новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор литературы по лазерам с накачкой электронным пучком, приводится принцип работы лазера, типы лазеров и технология изготовления активного элемента из монокристаллов Также представлены основные характеристики лазеров с продольной накачкой резонатора с однородной активной областью из соединений АгВ6 Прослежены этапы развития технологии ЛЭЛТ на объемных материалах и низкоразмерных структурах Дается обоснование преимуществ использования в качестве активной среды низкоразмерной структуры, и обсуждаются возможные направления по дальнейшей оптимизации структуры активной области лазера, в частности, использование лазеров с малым числом КЯ и оптимизация периода структуры.

Вторая глава носит методический характер Здесь описана используемая экспериментальная установка, на которой проводились исследования лазерной структуры, схема крепления образцов, схема регистрации спектров ФО и КЛ, описание экспериментальных структур и разработанной технологии изготовления активного элемента лазера.

Основным элементом экспериментальной установки является разборная электронно-лучевая трубка, позволяющая проводить широкий класс исследований, от КЛ до получения генерации Системы охлаждения образцов позволяет изменять температуру от 14 К до 100 °С путем использования криогенератора, работающего на замкнутом цикле Мак-Магона (минимальная температура - ниже 14 К), и сменного криостата, обеспечивающего измерение температуры от температуры жидкого азота до 100 °С

Система регистрации включала в себя: спектрограф РОБ-2 с фотометрической приставкой на основе фотоумножителя ФЭУ-100, а также систему регистрации и обработки информации, выполненной на основе персонального компьютера (ПК) и стойки

"Камак" В сканирующем режиме возбуждения, когда отдельная точка ЛЭ работала в импульсном режиме, спектр фиксировался с помощью линейки фотодиодов, собранной в Институте спектроскопии РАН (г. Троицк)

Мощность излучения лазера измерялась в импульсно-периодическом режиме (периодическое сканирование вдоль строки с частотой 50 Гц) с помощью коаксиального фотоэлемента ФЭК-29 с большой входной апертурой, позволяющей собрать все излучение лазера Токовый импульс с ФЭК-29 наблюдался и измерялся с помощью осциллографа С1-91 Направленность излучения фиксировалась цифровой камерой на матовом экране, помещенном на определенном расстоянии Ближняя зона генерации изучалась с помощью оптического микроскопа МБС-9

Структура (17 или 25 КЯ)

6nmGaInP

AlGalnP - пассивный слой

GaInP-КЯ i ., „

L "п или 25 пар

AlGalnP - барьер 6 nm GalnP

} -

1 |Ш1 GaAs - буферный слой подложка GaAs

Электронный пучок

Iе зеркало структура область возбуждения АКМпР пассивный слой

2'зеркало / эпоксидный клей сапфир

4-9,

Рис. 1. Структура (За1пР/АЮа1пР (вверху) и лазерный экран с продольной накачкой на ее основе (внизу)

Все исследуемые структуры GalnP/AlGalnP выращивались на подложке GaAs, разориентированной от (001) к (111)А на 10° и 15° Структуры содержали последовательно нарощенные буферный слой GaAs толщиной 1 мкм, слой Gao sino 5Р толщиной 6 нм, 25 или 17 пар барьерного слоя Alo 3sGaoi sino 5Р и слоя КЯ Gao sino 5Р, пассивный слой Alo 3sGao ísbio 5P и слой Gao sino 5P толщиной 6 нм (рис-1). Слои Gao 5Ü10 5Р

толщиной 6 нм использовались для предотвращения крайних слоев А1о.ззОа<з 131по 5? от окисления в процессе формирования активного элемента лазера Толщины КЯ ОаЬгР, барьеров АЮаТпР и пассивного слоя АЮа1пР приведены в Таблице 1. Отметим, что суммарная оптическая толщина барьерного слоя и слоя КЯ кратна целому числу полуволн длины волны, на которой рассчитываем получить генерацию

Ььпь' ¿^Пу» ~ тЛ^'2 (1)

где ¿4 и Ьф, - толщины барьерного слоя и слоя КЯ, Пь и п^ - показатели преломления барьерного слоя и слоя КЯ на длине волны генерации /9-10/, т - число кратности (17 КЯ - т=3,25 КЯ-т--2).

Таблице 1. Толщины КЯ, барьеров, пассивного слоя исследуемых структур

15е подложка йвАя 10° подложка СаАя

17 КЯ 17 КЯ 25 КЯ 25 КЯ

Толщина КЯ (нм) 8 8 8 8

Толщина барьера (нм) 242 267 181 183

Толщина пассивного слоя (мкм) 4 38 4.38 4.38 0.183

При изготовлении активного элемента лазера сначала на ростовую поверхность структуры напылялось полупрозрачное зеркало, состоящее из 5 или 6 пар четвертьволновых слоев 810/П02 Затем структура приклеивалась напыленной поверхностью к сапфировому диску оптическим эпоксидным клеем Далее подложка баАв полировалась механически до толщины 80 мкм, а затем оставшаяся часть подложки и буферный слой ОаА$ удалялись селективным травлением в подобранном растворе КОН+ЫНзОН+НгОг+НгО При этом первый тонкий слой СаТпР являлся хорошим сгоп-слоем Наконец, на свободную поверхность структуры напылялось второе зеркало. Два зеркала формировали оптический резонатор равный толщине структуры. Использование слоя ЯЮ2 с меньшим показателем преломления в качестве первого четвертьволнового слоя зеркала должно было обеспечить сдвиг фазы отраженной волны на транице зеркало структура близкий к нулю Это важно для совмещения положения КЯ с пучностями стоячей волны резонатора.

Третья глава посвящена экспериментальным результатам, объяснение которых проводится в главе четыре

Было установлено, что спектры фотоотражения (рис. 2 а) имеют характерную модуляцию, обусловленную интерференцией отраженных лучей от поверхности структуры и от гетерограницы с ОаАч подложкой (эти две поверхности образуют малодобротаый резонатор), и особенность, связанную с дополнительным брэттовским отражением ич-за периодичности структуры Вблизи этой особенности КЯ находятся в пучностях стоячей волны малодобротного реаднагора С изменением температуры от температуры жидкого азота до Г - 95 °С существенного изменения в форме спектра отражения не наблюдается, однако максимум особенности сдвигается в длинноволновую сторону, со скоростью 0 031 нм/К

от мо еш №икп«И

а) б)

Рис. 2. Спектры фотоотражения (а) и спектры спонтанного излучения (б) исходной структуры при различных температурах Т от 80 до 370 К

Спектры катодолюминесценции (рис. 2 б) также промоделированы из-за интерференции выходящих лучей, обусловленной толщиной структуры, и имеют особенность, связанную с брэгговским отражением структуры Видно, что локальный максимум огибающей спектра катодолюминесценции в области максимума линии спонтанного излучения сдвигается в длинноволновую сторону с температурой значительно быстрее (примерно как 0 092 нм/К), чем особенность, связанная с брэгговским отражением Это различие в температурном сдвиге линии излучения и брэгговского отражения приводит к тому, что для каждой рабочей температуры лазера существует свое оптимальное значение периода структуры, при котором возникает резонанс, т е максимум брэгговского отражения совпадает с максимумом линии излучения (точнее с максимумом линии усиления)

Г ^

1

Рис. 3 Изображение структуры (половина пластины диаметром 50 мм) в свете натриевой лампы Указаны участки, для которых проводится сравнение лазерных характеристик

Кроме температурного ухода из резонанса возможна также отстройка из-за неоднородности реальной структуры по толщине На рис. 3 представлена фотография исходной структуры в свете натриевой лампы На поверхности структуры наблюдаются интерференционные полосы равной толщины, по которым можно оценить неоднородность структуры по толщине Она составила 5 % Исследование влияния отстройки от резонанса на характеристики лазера проводилось на структуре 25 КЯ Оа1пР с толстым пассивным слоем Зафиксировав три точки на поверхности образца (рис. 3), экспериментально регистрировалась длина волны генерации, выходная мощность и значение минимального тока электронного пучка на пороге генерации при разных температурах (рис. 4) Период структуры в точке 1 при КТ соответствует длине волны « 642 нм, в точке 2 - 632 нм, в точке 3 - 626 нм

Спектр генерации активных элементов в основном состоял из одной или двух продольных мод резонатора в зависимости от положения области генерации на исходной структуре (рис. 3) Кроме этого в ряде случаев наблюдался перескок длины волны генерации на расстояние в несколько межмодовых интервалов Качественное объяснение наблюдаемому перескоку длины волны генерации заключается в том, что период расположения КЯ у выбранного участка структуры меньше оптимального В этом случае пороговое условие сначала достигается для одной из мод, ближайшей к спектральному максимуму линии усиления, который при относительно низких уровнях возбуждения и комнатной температуре примерно соответствует максимуму линии спонтанного излучения Однако поскольку расстояние между КЯ меньше расстояния между пучностями генерирующей моды резонатора, то лишь часть КЯ эффективно участвует а генерации В связи с этим концентрация неравновесных носителей в КЯ, находящихся вблизи узлов генерируемой моды резонатора и практически не участвующих в генерации, продолжает расти по мере увеличения накачки выше порога. В результате, при некотором

уровне возбуждения выше порогового возникает условие генерации на моде, расстояние между пучностями которой совпадают с расстоянием между КЯ

Temperature (Т)

Рис. 4 Спектральное положение мод генерации (а), мощность генерации при /е - 2 мА (б) и пороговый ток (в) для трех участков структуры 1 (кружки), 2 (звездочки) и 3 (квадраты) на рис 3 и трех различных температур Т = 80,287 и 368 К, Е„ = 40 кэВ, de » 25 мкм при Те < 0 2 мА и de» 40 мкм при /г 2 мА.

На рис. 4 представлены основные характеристики i енерации трех точек, отмеченных на рис. 3, в виде графика от температуры активного элемента Сплошной линией на рис. 4 а показано температурное изменение максимума спонтанного излучения исходной структуры, а пунктирами темперагурное изменение брэгтовского резонанса для каждого участка структуры Обнаружено, что при разных температурах генерация происходит вблизи максимума спонтанного излучения и брэгтовского резонанса структуры Если брэгговский резонанс находится при меньшей длине волны относительно максимума спонтанного излучения КЯ, то при максимальных уровнях возбуждения интенсивность моды генерации вблизи этого резонанса заметно выше, чем моды i енерации вблизи максимума спонтанного излучения Совпадение брэгтовского резонанса с максимумом спонтанного излучения приводит к уменьшению порога генерации при комнатной температуре и t - 95 °С Действительно, минимальный nopoi при комнатной температуре и Ее = 40 кэВ (см рис. 4 в) наблюдается на участке 2 (см рис. 3), а при t 95 °С - на

участке 1 Минимальные значения порогового тока составили 1ц, = 25 и 84 мкА соответственно при г = 14 и 95 °С В пересчет на плотность тока получаются оценки _/,;, -» и 28 А/см2 Столь низкий порог при температуре выше комнатной получен впервые

Хотя генерация была получена при комнатной температуре во всем исследованном диапазоне энергий электронов Ее = 25 ■ 60 кэВ, максимальная эффективность генерации была достигнута в диапазоне 40 50 кэВ При этих энергиях достигается наилучшее согласование области возбуждения с активной частью структуры по глубине Температурное изменение мощности генерации при токе 1е = 2 мА и Ее - 40 кэВ представлено на рис. 4 б Обнаружено, что мощность генерации зависит не только от порога генерации, но и от длины волны генерации Так максимальная мощность генерации при комнатпой температуре достигалась для участка 1 при более высоком пороге генерации, чем у участков 2 и 3 Достигнутая при эгом мощность составила 9 5 Вт при эффективности преобразования мощности накачки примерно 12 %, что является рекордной для лазера с продольной накачкой электронным пучком со столь низкой энергией электронов (40 кэВ) Основная причши такого различия связана со спектральной зависимостью внутренних потерь в барьерных слоях А1Сха1пР

ч JS с

I .... 1

б)

Рис. 5. Зависимости порогового тока (а) и мощности генерации при 1е~2 мА (б) от отстройки периода структуры от оптимального значения, соответствующему минимуму порогового тока, для двух температур / = 14 и 95 °С Использованы данные из рис. 4

На основе данных приведенных на рис. 4 была проведена оценка диапазона изменения периода структуры, при котором пороговый ток не превышает минимальное значение на 10 % (рис. 5 а) Оказалось, что при t -- 14 "С этот диапазон находится в пределах 0 9921 -4- 1 005, а при t = 95 °С - 0 994 * 1 0062 То есть полный диапазон составляет примерно 1 4 % для обоих значений температуры Современное оборудование

для ПФЭМОС позволяет это реализовать Изменение выходной мощности в этом случае составляет 14 % для I = 14 °С и 31 % - для / - 95 °С (рис. 5 б) Отсюда следует, что стабилизация мощности требует большей точности на изготовление структуры С другой стороны, требуется оптимизация структуры для снижения влияния поглощения в барьерах на мощность генерации

Дальнейшие исследование структуры путем замены толстого пассивного слоя на тонкий слой выявило влияние периодического изменения показателя преломления активной среды на лазерные характерце тки ЛЭ Было обнаружено, что в спектре спонтанного излучения вблизи длины волны, настроенной на период структуры, межмодовое расстояние становится неодинаковым (рис. 7), а лазерные характеристики ухудшаются

Четвертая глава состоит из двух разделов, в которых рассматривается модель, на основе которой описываются экспериментальные данные, приведенные в третьей главе

В первом разделе описывается матричная модель /11/ расчета коэффициента отражения многослойной структуры, на основе которой удается математически смоделировать спектр фотоотражения от низкоразмерной структуры (рис. 6) и КЛ с большой точностью совпадения с экспериментальными данными Показано, что периодическое изменение показателей преломления слоев структуры приводит к появлению дополнительного максимума в спектрах КЛ и ФО, причем положение этого дополнительного максимума совпадает с длиной волны, при которой пучности стоячей волны согласованы с положением КЯ (т е с периодом структуры)

§ Ой

УСВЕЬ РЯ ЯГ РТ Ба1пР/АКзЭ1пР 25 ОШ !, - 4 ЭЯ и вале ымтое твапемеь ь* 10"

\/\ЛМЛл

1^ЧлЛАЛД/

М (П Й0

580 690 ТО 610 820 530 МО 650 {60

а) б)

Рис. 6. Экспериментальный и теоретический спектр отражения от периодической структуры 25 КЯ с толстым 1,в = 4 38 мкм пассивным слоем, период которой настроен на 625 нм (а), и с тонким = 183 нм пассивным слоем, - настроен на 640 нм (б)

Далее был проведен теоретический анализ модового состава резонатора от толщины КЯ, периода структуры, числа КЯ Необходимость данною анализа возникла после того, как на структурах с малым числом КЯ наблюдалось неэквидистантаое расположение мод резонатора до порога генерации с длинноволновым смещением основной моды, на которой достигалась генерация Модовый состав определялся по положениям провалов в спектре отражения ЛЭ Было показано, что основной причиной длинноволнового сдвига является то, чго брэгговское отражение вносит дополнительный сдвиг фазы, который в максимуме брэгтовкого отражения приводит к изменению положения моды резонатора Другими словами, периодическая структура обладает свойствами фотонного кристалла, у которо! о формируется запрещенная оптическая зона, соответствующая ширине линии брэгтовского отражения Моды резонатора выталкиваются из этой зоны

Используя описанную модель, было проведено сравнение теоретических значений длин волн мод лазера с продольной накачкой электронным пучком на основе экспериментальных структур с экспериментальным спектром спонтанного излучения (рис. 7) Полученные теоретические значения сдвига длины волны моды вблизи длины волны, согласованной с периодом структуры, удовлетворительно описывают экспериментальные данные, что говорит о высокой точности данной модели

БроШапеша ет!вч1йг> (Л VCSEL »№25 0№ СЗз1пР/А.СЭлР Й КТ

ТЪгс/ тойвЕ

ПЗ 610 015 030 025 вЭО 615 МО 045 МО 050 ООО 066 Ла^в(еп91Л (ко)

а)

| Брсп&пее*« »па»кУ10ГУС5Е1.<у№2Д ОУУ& Рэ1пР/А10а1пР т ЯТ

| (Посту ЯЧЧИ11 /\

915 его <И5 630 835 в4в 645 УкГауМпдШ (пт)

б)

Рис. 7. Экспериментальный спектр спонтанного излучения ЛЭ и 1еоретические значения длин волн мод по спектру отражения ЛЭ (точки) для структуры 25 КЯ без (а) и с (б) толстым пассивным слоем

Во втором разделе проведены теоретические оценки влияния скачка показателей преломления КЯ - барьер (Ап) на значение порогового усиления Анализ проводился на основе модели, в которой отражение от периодических слоев низкоразмерной структуры учитывается в форме записи порогового условия генерации (2) В »том случае

рассматривается микрорезонатор образованный глухим диэлектрическим зеркалом и составным зеркалом Толщина микрорезонатора равняется толщине верхнего барьерного слоя ¿4 Составное зеркало включает в себя структуру без верхнего барьерного слоя и полупрозрачное зеркало Дополнительное отражение от слоев К Я - барьер учитывается в коэффициентах отражения составного зеркала, а усиление КЯ - в мнимой компоненте показателя преломления

Методика расчета была следующей определялся коэффициент отражения зеркал микрорезонатора ¿¡» а потом подбиралось такое значение усиления КЯ, при котором имело место выполнение порогового условия (2).

|гЛвф(2ЛА)И ^ (2)

¡> пороговое условие

аг8(гЛехр(2/*Л)Ь° J

где

г, и г2 - комплексный коэффициент отражения по амплитуде плоской волны от

зеркал,

к2 = волновой вектор плоской волны вдоль оси резонатора,

Ьь - толщина микрорезонатора;

X - длина волны в вакууме;

п = щ + ш(а) - комплексный показатель преломления,

л0 - вещественная часть комплексного показателя преломления;

п{а) = — а - мнимая часть комплексного показателя преломления, зависящая 4яг

от усиления а среды резонатора /11/.

Сначала для простоты спектр усиления КЯ брался гауссовсюш с полушириной спектра усиления ДА, = 4 + 5 нм, что близко к экспериментальному спектру КЛ Показано, что учет отражения от периодических слоев приводит к росту значений порогового усиления КЯ по сравнению со случаем, если бы отражения не было (рис. 8)

Более того, при некотором значении скачка показателя преломления пороговый коэффициент усиления становится больше, чем в случае структуры с "хаотическим" расположением КЯ Здесь проявляется свойство фотонного кристалла, у которого с увеличением скачка показателя преломления увеличивается ширина запрещенной оптической зоны В результате центральная мода резонатора с фотонным кристаллом выталкивается из области максимального усиления (Д^ьа) Для того чтобы избежать

действия этого отрицательного свойства фотонного кристалла необходимо ввести гак называемый дефектный слой, т е нарушить строгую периодичность структуры

' --1-Г-1-1-1-1-1-1-1-1-'-Г-1-1-1---Г -1-'-

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

Рис. 8. Зависимость значения порогового усиления и ДХаа от Дп для периодической структуры с толщиной среднего барьерного слоя = 1ь и А/4, для

"хаотической" структуры с одинаковой оптической толщиной.

В частности одним из вариантов введения "дефектного" слоя рассматривается изменение толщины среднего барьерного слоя Lb, muuie до Л/4 Порог генерации вырастет при Ап = 0 по сравнению со строю периодической структурой, в основном из-за начальной отстройки моды относительно максимума линии усиления Однако при увеличении скачка показателя преломления будет наблюдаться снижение порогового усиления и для реальных значений Лп ~ 0 31 для AlGalnP структур можно получить дальнейшее уменьшение порога в 1.5 раз

Кроме этого оказалось, что, правильно выбирая отстройку периода структуры от резонанса, когда КЯ попадают в пучности стоячей волны, согласованной с максимумом линии усиления К Я, можно также добиться уменьшения значения порогового усиления по сравнению с точным coi ласованием В этом случае длина волны генерации настраивается на максимум линии усиления КЯ.

Затем в рамках представленной модели проведено сравнение теоретически рассчитанной зависимости пороговой концентрации неравновесных носителей и экспериментальных данных при КТ от отстройки по периоду структуры относительно максимума усиления с учетом реальной формы спектра усиления КЯ (рис. 9) Оказалось, что учет поглощения в барьерных слоях АКМпР и учет отражения от периодических слоев низкоразмерной структуры позволяет достаточно хорошо описать экспериментальные данные.

Рис. 9. Теоретическая зависимость порогового значения концентрации неравновесных носителей в КЯ от отстройки по периоду структуры.'

При расчете спектра усиления КЯ /12-19/, полный разрыв зон КЯ и барьера оценивался из спектров низкотемпературной катодолюминесценции. Далее считалось, что 70 % полного разрыва зон приходится на зону проводимости ЛЕа остальное - на валентную зону ЛЕУ /20/ Для расчета уровней энергии в КЯ решалось уравнения Шредингера. После нахождения уровней в КЯ вычислялись квазиуровни Ферми, и рассчитывался спектр усиления КЯ (рис. 10).

Wavelength (nm)

Рис. 10. Теоретические спектры усиления при КТ в зависимости от концентрации неравновесных носителей

В заключение формулируются основные результаты работы

1 Разработана технология изготовления активною элемента (ЛЭ) для лазера с продольной накачкой электронным пучком на основе многослойной низкоразмерной структуры ОаЬаР/АЮаЬР. Технология включает методику удаления подложки ОаАя, оптимизацию и изготовление зеркал резонатора, способ крепления структуры на хладопроводящей подложке

2 Исследованы зависимости лазерных характеристик от отстройки периода структуры от резонанса, при котором КЯ находятся в пучностях стоячей волны, согласованной с максимумом линии усиления КЯ Показано, что отстройка приводит к уменьшению числа КЯ эффективно участвующих в генерации на пороге генерации. Установлено, что для удержания порога генерации в пределах 10 % увеличения от минимального значения необходимо, чтобы период структуры был в пределах ± 0 7 % от резонансного значения периода структуры

3 Обнаружено, что периодическое изменение показателя преломления использованных структур влияет на пороговые характеристики и спектр генерации наблюдается длинноволновый сдвиг длины волны генерации и увеличение порога генерации Небольшая отстройка периода структуры от резонанса или введение "дефектного" барьерного слоя отличающегося от остальных барьеров толщиной приводит к уменьшению порога I енерации и к согласованию длины волны генерации с максимумом линии усиления

-184 Предложена теоретическая модель лазера, учитывающая распределенную обратную связь в активной структуре, а также изменение зонной диаграммы гетероструктуры с ростом концентрации неравновесных носителей, которая удовлетворительно описывает экспериментальные данные

5 Впервые реализован лазер на структуре с резонансно-периодическим усилением с накачкой электронным пучком на длине волны 635 - 640 нм, достигнуты рекордные значения выходной мощности 9 - 10 Вт с КПД 12 % и порогом генерации по току 25 мкА (8 А/см2 по плотности тока) при КТ и 40 кэВ

Список цитируемой литературы

1 IIГ Басов, О В Бстданкевич, АС Насибов Электронно-лучевая трубка АС №270100 (СССР) Опубл 1970, бюл №16

2 В Н Уласюк "Квантоскопы", М, Радио и связь, 1988 г

3 "Лазерные электронно-лучевые трубки", под ред Ю.М Попова, ТРУДЫ ФИАН, Т202,1991 г

4. N G Basov, Е М Dianov, VI Kozlovsky, А В Krysa, A S Nasibov, Yu М. Popov, AM Prokhorov, PA Tmbenko, EA Shcherbakov, Laser cathode-ray tubes using multilayer heterostructures, Laser Physics 6 (1996) 608-611.

5 Басов H Г , Дианов E ML, Козловский В И, Крыса А Б , Насибов А.С , Попов Ю М., Прохоров А М, Трубенко П А, Щербаков Е А. Квантовая электроника, 22, №22 (1995), р. 756

6 VI Kozlovsky, EA Shcherbakov, ЕМ. Dianov, АВ Krysa, AS Nasibov, PA Trubenko Electron beam pumped laser structures based on MBE grown ZnCdSe/ZnSe super lattices, J Crystal Growth 1996, v 159, p.609

7 VI Kozlovsky, Yu G Sadofyev Investigation of e - h pair in MBE grown ZnCdSe/ZnSe multiquantum wells at volume excitation by electron beam, J. Vsc Sci Technol В 18(3), May/Jun 2000, p 1538

8 V Yu Bondarev, VI Kozlovsky, Y К Skasyrsky 4-th Belarusian-Russian Workshop Semiconductor laser and system, 20 - 22 May 2002 Minsk, Belarus p 68

9 M Mosel, R Winterhoff, C. Geng, F Scholz, A. Dornen. Refractive index of AlGalnP grown by MOVPE, Appl Phys. Lett. 64, 235 (1994)

10 Y Kaneko, K. Kishrno. Refractive indices measurement of GalriP/AlInP MQWs, Appl Phys Lett 76,1809(1994)

11. M. Борн, Э Вольф "Основы оптики", М , Наука, 1970 г

-1912 P L Gourley, S К Lyo, 1 M Brennan, В E Hammons, С F Schaub, S Sun Lasing threshold in quantum well surface-emitting lasers Many-body effects and temperature dependence, Appl Phys Lett 1980, v 55, p 2698

13 M Nido, К Naniwae, J Shimizu, S Murata, A Suzuki Analysis of defferential gam in InGaAs-lnGaAsP compressive and tensile straited quantum-well lasers and its application for estimation of high-speed modulation limit, IEEE J Quantum Electronics 1993, v 29, p 885

14 L V. Asryan, N A Gun'ko, A S Polkovnikov, G G Zegrya, R A Suns, P-K Lau and T Makino fhreshold characteristics of InGaAsP/InP multiple quantum well Lasers Semicond Sci Technol 15(2000) 1131-1140

15 RH. Yan, S W Corzme, L.A Coldren and I Suemune Corrections to the expression for gain m GaAs IEEE J Quantum Electron 26 213-16 (1990)

16 M Rosenzweig, M M ohrle, H D user and H Venghaus Threshold-current analysis of InGaAs-lnGaAsP multiquantum well separate-confinement lasres IEEE J Quantum Electron 27 1804-10(1991)

17 T Makino Analytical formulas for the optical gain of quantum wells IEEE J Quantum Electron. 32 493-501 (1996)

18 GP AgrawalandNK Dutta Long-Wavelength Semiconductor Lasers (New York Van Nostrand Reinhold Company) (1986)

19 M Asada, A Kameyama and Y Suematsu Gain and mtervalence band absorption m quantum-well lasers IEEE J Quantum Electron. 20 745-53 (1984)

20 I Vurgaftmana and J R Meyer L R Ram-Mohan Band parameters for Ш-V compound semiconductors and their alloys Journal of Applied Physics vol 89,11,1 June 2001

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Однородное № излучения лазерной ЭЛТ на основе низкоразмерной CTpyKTypbiGalnP'AlGalnP с рсзонансно-нериодическим усилением В Ю Бондарев, В И.Козловский, А Б Крыса, Ю М Попов, Я К Скасырский "Квантовая электроника" 34, №10 (2004)

2 Scanning E-Beam Longitudinally Pumped RT Operable Laser Based on MOVPE-Grown GalnP/AlGalnP MQW Structure V Yu Bondarev, V I Kozlovsky et al, International Journal of Nanoscience Vol 3,No 1 (February 2004)

3 E-beam pumped resonant periodic gain GalnP/AlGalnP VCSEL V Yu Bondarev, VI Kozlovsky, А В Krysa, J S Roberts and Ya К Skasyrsky phys stat sol (c) 0002 In published.

-204 E-beam pumped GaMVAlGalnP MQW VCSEL V Yu Bondarev, VI Kozlovsky , А В Krysa, JS Roberts, YaK Skasyrsky , International Journal of Nanoscience (February 2005) In published.

5 4-th Beiarusian-Russian Workshop Semiconductor laseT and system V Yu Bondarev, VI Kozlovsky, Y К Skasyrsky, 20 - 22 May 2002 Minsk, Belarus p 68 (тезисы)

РНБ Русский фонд

2006-4 6095

Подписано в печать 3 О/АН 2004 г. Формат 60x84/16. Заказ (^■//¿'Тираж/^экз П.л ¿¿Г. Отпечатано а РИИС ФИАИ с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел 13251 28

"Г, " ; :