Пространственно-неоднородные рекомбинационные процессы и поляризация излучения в лазерных гетсроструктурах на основе GaAs-AlGaAs. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. 1.1. МЕЧНИКОВА

РГ6 од і 6 ию/ї 1588

ПТАЩЕНКО ФЕДІР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.315.592

ПРОСТОРОВО-НЕОДНОРІДНІ РЕКОМЕШАЦГЙШ ПРОЦЕСИ І ПОЛЯРИЗАЦІЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ В ЛАЗЕРНИХ ГЕТЕР ОСГРУКТУР АХ НА ОСНОВІ ЄаАз-АЮаАз

01.04.10 - Фізика шшів провідників і діелектриків

Автореферат дисертації ка здобуття наукового ступеня кандидата фізико-матемагнчних наук

Одеса -1998

Робота виконана в Одеській державній морській академії, на кафедрі фізики і хімії

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук

професор Михайленко Віталій Іванович, завідуючий кафедрою фізики і хімії Одеської державної морської академії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

професор Мокрицький Вадим Анатолійович, завідуючий кафедрою мікроелектроніки Одеського державного політехнічного університету

доктор фізико-математичних наук професор Ваксман Юрій Федорович, професор кафедри експериментальної фізики Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ

Захист відбудеться “%Ь” і 1998 р. о і годині н

засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01 Одеського державного університет ім. І.І. Мечникова (270100, Одеса, вул. Пастера, 27, БФА).

Зі змістом дисертації можна ознайомитись в науковій бібліотеці університет; вул. Преображенська, 24.

Автореферат розіслано “ 1 1998 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради к.ф.-м.н., доцент

Федчук О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідникові лазери широко використовуються в техніці як джерела випромінювання. Малі розміри, когерентність випромінювання, сумісність технологи діодннх лазерів (ДЛ) з технологією інших активних і пасивних оптоелектронних елементів обумовлюють перспективи їх використання в оптичних інтегральних схемах. В даний час визначається нова область використання напівпровідникових лазерів як оптичних логічних елементів, оптичних транзисторів, оптоелектронних сенсорів. Хоча можливість використання ДЛ як логічних елементів відома давно, лише зараз, у зв’язку зі зниженням порогу генерації, підвищенням швидкодії, стабільності та надійності, виявленням та вивченням ряду поляризаційних ефектів, виникла реальна перспектива створення цілого класу оптоелектронних приладів на основі лазерних гетероструктур (ЛГС).

Зменшення розмірів активної області, використання полоскової геометрії ЛГС привело до різкої неоднорідності рекомбінаційних процесів, до анізотропії та неоднорідності оптичних параметрів, посилило роль поверхневої рекомбінації. Для створення та використання нових функціональних можливостей лазерних гетероструктур необхідно більш глибоке вивчення рекомбінаційно-генераційних та поляризаційних явищ в даних гетероструктурах.

Зв’язок роботи з науковими програмами, плгаквмя. тс;жми:

Робота виконана на кафедрі фізики і хімії Одеської державної морської академії і є частиною робіт за темою “Люмінесцентні та фотоелектричні властивості напівпровідникових структур”. Частина досліджень виконана в рамках робіт “Дослідження деградаційних явищ в бар’єрних напівпровідникових структурах та розробка методів підвищення надійності елементів мікроелектроніки і оптоелектроніки” (№ держреєстрації 0І931Д)17514) та “Рекомбінаційні та іонні процеси в напружених напівпровідникових структурах на основі сполук АШВУ” (№. держреєстрації 0196Ш1405І) на кафедрі фізики твердого тіла та твердотільної електроніки Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова

Метою роботи є встановлення механізмів і закономірностей просторово-неоднорідних рекомбінаційних і поляризаційних явищ в лазерних гетероструктурах з полосковою геометрією на основі СаЛя-АЮсіАз. Для досягнення цієї мети вирішувались такі задачі:

1. Дослідження впливу рівня інжекції та те»іР«пятури на інтенсивність і поляризацію випромінювання ЛГС на основі ваАз-АЮа/Ь,

2. Дослідження кінетики електролюмінесценції в багатошарових гетероструктурах на основі АЮаЛі. ,

3. Дослідження впливу одноосного тиску на інтенсивність і поляризацію випромінювання ЛГС при різних рівнях інжекції та температурах.

4. Дослідження впливу рівня інжекції на просторовий розподіл випромінювання ЛГС і його поляризацію в ближньому та дальньому полях.

5. Розробка моделей вішиву;просторово,-неоднорідної випромінювальної та невипромінювальної рекомбінації на стаціонарні характеристики ЛГС, кінетику електролюмінесценції та поляризацію випромінювання.

Наукова новизна результатів та основні положення дисертаційної роботи, що виносяться на захист: :;,.г

1. Вперше розроблено модель-поверхневої рекомбінації в р-п переході, обумовленої тунельним захопленням нерівноважних носіїв заряду на поверхневі стани з генерацією фононів. Шляхом аналізу вольт-амперних характеристик на основі даної моделі оцінено параметри поверхневої рекомбінації в ЛГС.

2. Вперше розроблено та апробовано модель кінетики електролюмінесценції

р-л-структур з тонкою активною областю при наявності локальної невипромінювальної рекомбінації. Модель враховує екстракцію неосновних носіїв заряду, інжектованих П-імпульсом струму (освітлення), із активної області та одночасну тунельну, рекомбінацію такого ж числа носіїв поблизу поверхні та дислокацій. .

3. Виявлено “надлишкову” поляризацію спонтанного випромінювання в ЛГС з переважною оркнтацйяо-електричного вектора у площині р-и-переходу. Дане явище, роль якого збільшується при деградації ЛГС, пояснено тунельною випромінювальною рекомбінацією електронів і легких дірок поблизу неоднородностей, які порушують планарність^л-п^ріїходт.

4. Вперше встановлено, що астигматизм світлових хвиль в ЛГС з полосковою геометрією виникає в режимі- спонтанного випромінювання і немонотонно залежить від струму ; накачування, причому в режимі лазерної генерації коефіцієнт астигматизму дия ТЕ. поляризованої моди набагато вищий, ніж для ТМ моди. Дане явище пояснено взаємодією неоднородностей показника заломлення та коефіцієнта квантового підсилення, що виникають за рахунок неоднорідності густини струму в активній області. , п!

5. Вперше встановлено, що ступінь поляризації р випромінювання ЛГС з

полосковою геометрією лінійно залежить від одноосного тиску Р в дослідженому

'' 1 1 її ■. '' • ; - _ *

інтервалі Р £ 50 МПа, а величина 5,, =ф!<ІР немонотонно залежить від струму накачування. Дане явище пояснюється впливом тиску на інтенсивність спонтанного випромінювання і коефіцієнт квантового підсилення світла, різним для ТЕ і ТМ мод, а такрж відмінністю астигматизму для ТЕ і ТМ мод.

6. Вперше встановлено закономірності деградації ЛГС, що використовуються як сенсори одноосного тиску: а) зростання тунельної компоненти струму та “надлишкової” поляризації спонтанного випромінювання, пов’язаних, відповідно, з невипромінювальною та випромінювальною рекомбінацією поблизу дислокацій; б) збільшення астигматизму випромінювання, обумовлене неоднорідністю деградаційних процесів; в) розтяг активної області в площині р-п переходу, обумовлений пластичною деформацією металевого шару, розташованого між ЛГС та тепловідводом.

Практичне значення одержавше результатів:

1. Розроблено методику оцінки об’ємного часу життя нерівноважних носіїв заряду в активній області лазерних гетероструктур, яка базується на вимірюваннях кінетики спонтанного випромінювання та її аналізі за допомогою розробленої моделі, що враховує локальну невипромінювальну рекомбінацію.

2. Запропоновано методику оцінки ступеня однорідності лазерних гетероструктур, яка використовує вимірювання і аналіз “надлишкової” поляризації спонтанного випромінювання.

3. Запропоновано методику оцінки оптичних неоднорідностей в резонаторі ЛГС на основі аналізу кутового розподілу випромінювання ТЕ і ТМ мод.

4. Виявлено можливість створення диференційних оптоелектронних сенсорів температури, які використовують температурну залежність ступеня поляризації квантово-підсиленого спонтанного випромінювання діодних лазерів.

5. Показано можливості використання лазерних гетероструктур як

диференційних сенсорів тиску, робота яких базується на різному впливу одноосного тиску на інтенсивність спонтанного випромінювання і квантове підсилення світла в ТЕ і ТМ модах. Виявлено специфічний механізм деградації ЛГС при їх використанні як сенсорів тиску, пов’язаний з пластичною деформацією металевогого шару, що знаходиться між ЛГС та тепловідводом. ,

Особистий внесок дисертанта: У спільних публікаціях безпосередньо

автором створено установки для дослідження просторового розподілу випромінювання діодних лазерів, проведено вимірюван;?* і обробку результатів: а) з впливу поверхневої тунельної рекомбінації на електр : характеристики,

кінетику елеісіролюмінесциеції та “надпишкову” поляризацію випромінювання в ЛГС на основі GaAs-AlGaAs; б) з просторового розподілу випромінювання ЛГС; в) з впливу температури та одноосного тиску на поляризацію випромінювання ЛГС в режимі суперлюмінесценції та в лазерному режимі; г) з деградації ЛГС. Автором сформульовано1 системи рівнянь для моделей поверхневої рекомбінації в р-п переходіта кінетики електролюмінесценції р-п переходів з тонкою активною областю за врахуванням локальної невипромінювальної рекомбінації. Автором створено комп’ютерні моделі досліджених явищ, написано програми і проведено розрахунки на ЕОМ, а також сформульовано висновки і положення дисертації.

Апробація результатів дисертації: Основні результати роботи доповідались і обговорювались на конференціях: International Conference on Microelectronics and Computer Science (Кишинів, 1992); Науково-технічній конференції “Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов” (Нижній Новгород - Астрахань, 1992); Sixth International Conference on modulated Semiconductor Structures (Гарміш-Партенкірхеи, Німеччина, 1993); International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Ужгород, 1996); First International School and Conference on Polarization Effects in Lasers and Spectroscopy (Торонто, Канада, 1997).

Публікації; Основні результати дисертації викладено в 10 роботах, в тому числі в 5 статтях в наукових журналах і в 5 матеріалах і тезах конференцій.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 202 сторінки, у тому числі 124 сторінки основного тексту, 56 рисунків, 2 таблиці, бібліографічний список із 143 найменувань, включаючи публікації автора.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, визначено мету роботи, відзначено її наукову новизну, вказано на практичну цінність її результатів та сформульовано основні положення, що виносяться на захист.

Перший роздал дисертації присвячено аналізу літератури з механізмів рекомбінації та поляризації випромінювання в лазерних гетероструктурах (ЛГС) на основі напівпровідників АШВЧ Розглянуто зв'язок характеристик діодних лазерів (ДЛ) з їх структурою. Проаналізовано вплив форми і розмірів активної області та контактів на випромінювальні характеристики ДЛ, зокрема ДЛ з

полосковим контактом. Зроблено висновок про необхідність розробки та вдосконалення методів контролю надійності ЛГС.

Вказано, що поверхнева невипромінювальна рекомбінація зменшує ефективність спонтанного випромінювання, приводить до зростання порогового струму ДЛ. Проаналізовано особливості локальної тунельної рекомбінації в р-п-переходах. Розглянуто механізми поляризації рекомбінаційного випромінювання в напівпровідниках АШВУ та в ЛГС на їх основі. Проаналізовано вплив тунельної випромінювальної рекомбінації (діагонального тунелювання) та порушення просторової симетрії хвильових функцій електронів в деформованих кристалах на поляризацію спонтанного випромінювання в напівпровідниках АШВУ. Розглянуто особливості поляризаційних явищ в спонтанному та когерентному випромінюванні ЛГС. Відзначено, що квантове підсилення спонтанного випромінювання суттєво впливає на поляризаційні ефекти в підпороговому режимі. В режимі лазерної генерації поляризація випромінювання визначається не тільки відмінністю ефективних коефіцієнтів відбивання для ТЕ і ТМ мод (з коливаннями електричного вектора, відповідно, в площині /»-«-переходу і в перпендикулярній площині), але й розщепленням підзон важких та легких дірок внаслідок неоднорідного теплового розширення, а також просторовим “вигоранням” дірок. На основі аналізу літератури сформульовано мету роботи та визначено основні методи дослідження.

У другому розділі дисертації описано структуру досліджених зразків та експериментальні методики і установки, що використовувались у роботі. Основні дослідження виконано на подвійних лазерних гетероструктурах (ЛГС) на основі ЄаАі-АЮаАі з полосковим контактом шириною 15мкм, довжиною хвилі випромінювання Л»0,8 мкм, змонтованих на мідному тепловідводі. Для вивчення впливу одноосного тиску на характеристики ЛГС використовувались зразки з верхнім металевим шаром, але без електричного виводу. Вимірювання кінетики електролюмінесценції проводились на зразках без резонатора, з виводом випромінювання через верхню поверхню. Зразки виготовлено в НДІ “Волга” (м. Саратов) та НДІ “Сапфір” (м. Москва).

Установка для дослідження стаціонарних і квазістаціонарних електричних та випромінювальних характеристик дозволяла вести вимірювання в інтервалі струмів /=(М0'9 -¡- 5) А. При />20 мА вимірювання велись в імпульсному режимі при тривалості імпульсів 100 не - 50 мкс. Установка для дослідження кінетики електролюмінесценції забезпечувала подачу на зразок П-імпульсів струму до 5 А,

тривалістю 10 - 400 не з фронтами до 1 не. Ефективний час спрацьовування регіструючої системи складав » 5нс,

Установка для поляризаційних вимірювань забезпечувала створення одноосного тиску в ЛГС до 100 МПа при температурах 300 - 400 К, а також, з використанням поляризатора, що обертався з постійною швидкістю, вимірювання ступеня поляризації, починаючи з ртіп*0,1%. Установка для дослідження ближнього поля випромінювання мала роздільну здатність «Імкм в поляризованому світлі.

Установка для вимірювання дальнього поля випромінювання мала роздільну здатність 2' в діапазоні кутів ¿90°. Всі результати вимірювань оброблялись на ЕОМ.

У третьому розділі дисертації наведено результати дослідження просторово-неоднорідних рекомбінаційних процесів у лазерних гетероструктурах за допомогою аналізу стаціонарних вольт-амперних характеристик (ВАХ) прямого струму, кінетики електролюмінесценції та “надлишкової” поляризації випромінювання при значеннях струму набагато нижче порогового. Аналіз ВАХ, виміряних при температурах Г=904-300 К, показав, що при /<10 3 А вони мають вигляд

.......... Іг1*схр{е¥,Хп№], (1)

дє'іа^сош (при фіксованій температурі); е - заряд електрона; V- напруга; к - стала Больцмана. Коефіцієнт неідеальності п, складав для різних зразків и,=1,75+2,1 при 7^300 К 1 підвищувався до 2,1+4,2 При 7^=100 К. Зроблено висновок про тунельну природу рекомбінації носіїв, що відповідає за вказану компоненту струму. Тунельно-рекомбінаційний струм в даних ЛГС не пов’язаний з дислокаціями, тому що щільність дислокацій була меншою МО4 см-2, Зроблено висновок про локалізацію тунельно-рекомбінаційного струму в місцях виходу ^-«-переходу та активного шару на бокову поверхню ЛГС. Розроблено модель поверхневої тунельної рекомбінації, що враховує: а) поверхневі стани ведуть себе як донори в р' області та як акцептори в «-області з глибиною ЕсрЕ^2, де Ег - ширина забороненої зони; б) поблизу поверхні активної області, товщина якої 1¥«Ь (де Ь-довжина дифузії неосновних носіїв заряду), знаходиться шар просторового заряду, в якому положення квазірівнів Ффмі для електронів та дірок не залежать від координати; з) рекомбінація в приповерхневому шарі активно/ області відбувається за рахунок тунельного захоплення основного носія на поверхневі рівні з генерацією фононів та класичного захоплення неосновного носія; г) в місцях

перетину активної області просторового заряду та поверхневого збідненого каналу і електрони, | дірки захоплюються на поверхневі стани тунельно; д) потенціальні бар’єри в поверхневому шарі мають параболічну форму. Ширина бар’єра

ИТ*)=ИН'«, (2)

де Цг\ ~сопзґ, ф - висота бар’єра. Модель дає ВАХ (1), де рекомбінація по периметру активної області дає компоноету струму з коефіцієнтом неідеальності

п,=п,+1, (3)

де

п, = п„

(4)

6т,Щг(кТ)2

де «,0=1; т, - “тунельна” ефективна маса основного носія заряду; £Рі - коефіцієнт в (2). Рекомбінація по периметру об’ємного збідненого шару дає

п,=пп+пч, (5)

де пт та обчислюються за (4), де т,-тт, т!р відповідно для електронів та дірок. Множник /^в(І) визначається як

/^=£р/,5'о5',ехр[-((>о/(«Д7)], (6)

де Рр - об’ємна концентрація основних носіїв заряду; 50 - швидкість поверхневої рекомбінації при спрямлених зонах; Б, - ефективна площа ділянки поверхні, де відбувається рекомбінація; ф0 - рівноважна висота приповерхневого бар’єра. Аналіз ВАХ діодних І ГС дав Жі=(60+1б0) нм еВ !/2, 5о=(0,9+9)-105 см/с, енергію

термічної активації перерізу захоплення носія заряду поверхневим станом

£,=(0,03+0,07) еВ.

Аналіз кінетики електролюмінесценції (ЕЛ) гетероструктур показав, що криві спадання ЕЛ після пропускання П-імпульсів струму не експоненціальні. Миттєвий час спадання ЕЛ зменшувався в процесі релаксації ЕЛ. Швидкість спадання ЕЛ зростала зі зменшенням струму в П-імпульсі. При високих значеннях струму в П-імпульсі (і>ї А) кінетика спадання ЕЛ була приблизно експоненціальною. Розроблено модель даного явища, що враховує локальну (поверхневу) невипромінювальну рекомбінацію носіїв заряду. Основні положення моделі: а) в однорідній частині тонкої {\¥«Ь) активної р-області об’ємний час життя електронів не залежить від координати і концентрації електронів; б) в приповерхневому тонкому каналі відбувається невипромінювальна тунельна поверхнева рекомбінація, яка відповідає компоненті струму, що описується виразом (1); в) після пропускання П-імпульсу струму частина електронів, інжектованих в активну /»-область, дифундує назад, до />-п-переходу, і екстрагується

електричним полем 6Т п-область. Одночасно . така ж кількість електронів інжектується із /¡-області в приповерхневий канал об’ємного заряду і там рекомбінує тунельно. Розглянуто два варіанти моделі: а) коли інтенсивність поверхневої рекомбінації обмежена інтенсивністю тунельного захоплення носіїв заряду поверхневими станами; б) коли інтенсивність поверхневої рекомбінації обмежена опором розтікання основних носіїв заряду від поверхневого каналу. Показано, що аналіз кінетики спадання ЕЛ після пропускання П-імпульсів струму на основі розробленої моделі дозволяє визначити об’ємний час життя неосновних носіїв заряду в випромінюючих />-л-переходах, а також визначити коефіцієнт неідеальності ВАХ. Розроблено і апробовано комп’ютерні програми для обробки кривих спадання ЕЛ за даною моделлю.

При низьких значеннях струму накачування (/<10 мА) на досліджених ЛГС спостерігалась “надлишкова” поляризація випромінювання. Ступінь поляризації

р(/)=(ФтЕ - Фтм)/(Фте + Фтм) (7)

де Фтб, Фтм - інтенсивності випромінювання в ТЕ і ТМ поляризованих модах, збільшувався зі зменшенням струму І. Даний ефект спостерігався в області струмів, де значну роль відіграє тунельна невипромінювальна рекомбі іація. Знак р був протилежний до того, що відповідає тунельній випромінювальній рекомбінації (зворотному ефекту Франца-Келдиша) при русі, електрона та легкої дірки перпендикулярно до п. ощини ^-«-переходу. Величина “надлишкової” поляризації зростала при деградації ЛГС. З врахуванням вказаних особливостей “надлишкової-” поляризації зроблено допущення, що “надлишкова” поляризація випромінювання пов’язана з тунельною випромінювальною рекомбінацією (діагональним тунедюванням електронів) в неоднорідностях, де порушена планарність р-л-переходу. Такі неоднорідності в ЛГС після деградації можуть бути пов’язані з дислокаціями. ■ Електрон та легка дірка, що рекомбінують тунельно поблизу такої неоднорідності, рухаються в площині р-«-переходу. Така модель пояснює знак р, а також залежність р(І). Розроблено методику та комп’ютерну програму для розділення інтенсивностей випромінювання Ф„ пов’язаного з діагональним тунелюванням, та Ф„ зумовленого рекомбінацією носіїв у квазінейтральній активній області. Методика базується на тому, що залежності Ф,( V) та Ф,( V) мають вигляд -

Фт=Ф^хр[еУАпт, (8)

де причому для Ф,(У) маємо пг-\, а для Ф,(Р) має місце «,>1. Розроблена методика дозволяє роздільно вивчати вплив зовнішніх факторів на інтенсивність і ' Поляризацію випромінювання, пов’язанрго з двома механізмами рекомбінації.

У четвертому розділі викладено результати дослідження поляризації та просторового розподілу випромінювання ЛГС. Аналіз ват-амперних характеристик ЛГС Ф(І) показав, що пороговий струм лазерної генерації сюйдає /„,=50* 110 и А, а диференційна ефективність р=0,2+0,35 мВт/мА. Це узгоджується з літературними даними для подібних ЛГС та свідчить про достатню відтворюваність їхніх параметрів. При значеннях струму накачування /<0,3/й, коли квантове підсилення світла незначне, ступінь поляризації випромінювання більшості зразків р>0, що свідчить, за врахуванням літературних даних, про стиснення активного шару в площині /»-п-переходу. На частині зразків р<0, що відповідає розтягу активного шару. Проведено співставлення виміряних залежностей р(/) з відомими одномірними моделями поляризації випромінювання ЛГС. Одномірна модель, розроблена Кассіді, незадовільно описує залежності Ф(І) та р(І). Модифікація моделі з врахуванням насичення коефіцієнта квантового підсилення світла g(I) покращує узгодження ват-амперної хара стеристики Фге{/) для ТЕ моди з експериментальними даними, але незадовільно описує ФТМ(І). Експериментальні залежності р(І) проявляють насичення при р<1 і навіть спад в області лазерної генер .ції, що неможливо описати в рамках зазначених моделей. Це свідчить, що при розробці одномірної феноменологічної моделі поляризаційних явищ в ЛГС необхідно враховувати неповне насичення р(/) та взаємодію між ТЕ та ТМ модами.

Досліджений експериментально кутовий розподіл випромінювання в ТМ моді Фгл/фі) в площині, перпендикулярній до /7-л-переходу, мало змінюється при зміні струму від /*Ю,1/Й до /*3/м, тобто при переході від спонтанного до лазерного випромінювання, і може бути задовільно описаний в рамках фраунгоферової дифракції від щілини. Залежність ФщСфі) Для ТЕ моди більшості ЛГС в режимі лазерної генерації мала періодичну тонку структуру.. Дані осциляції чітко проявлялися і в кутовому розподілі ступеня поляризації випромінювання píqij. Співставлення розподілу випромінювання в дальнім та ближнім полях показало, що дані осциляції обумовлені прогинанням хвильового фронту світлової хвилі. За допомогою Фур’є-розкладу досліджено спектр осциляцій. По положенню максимумів в спектрі осциляцій ФГ£(<(>і) зроблено оцінку неоднорідності показника заломлення 8п в резонаторі ЛГС в напрямі, перпендикулярному до /7-л-переходу.

Для досліджених зразків 6п=0,002-0,005. Положення вказаних максимумів спектру не змінювалося зі струмом. Це свідчить, що дані неоднорідності пов’язані з матеріалом резонатора і не створюються інжектованими електронами. Величина 6л відповідає зміні молярного складу АІ в резонаторі із АІ/та,.^з в межах 8x50,01. При високих значеннях струму (ТкЗ/,А) в Фур’є-спектрах осциляцій Ф^Фі) домінувала одна частота, а при зменшенні струму відбувався перерозподіл інтенсивності між кількома максимумами. Це інтерпретовано як наявність кількох циліндрічних компонент хвильового фронту (уявних “джерел світла”). В підпороговому режимі осциляції Фг/Фі) зникали. На підставі цих даних відсутність ОСЦИЛЯЦІЙ В розподілі Фгм(фі) пояснена наявністю великої кількості уявних “джерел світла”, розміщених хаотично.

Досліджено кутовий розподіл поляризованого випромінювання ЛГС в ТЕ і ТМ модах Ф^Фи) і Фтм(фц) в площині р-п-переходу. При малих значеннях струму (/<0,1/А) ФГ£(ф||) і Фг„(фц) підкоряються закону Ламберта. Мінімум у центрі розподілу Ф(фц), характерний для ДЛ з полосковим контактом, з’являвся при малих струмах (/~0,1/іА). За врахуванням літературних даних, це свідчить про створення (за рахунок неоднорідної інжекції електронів) мінімуму показника заломлення в активній області під центром полоскового контакту (при х=0) вже при струмі /®0,1/гі. Зниження коефіцієнта заломлення в точці х=0, оцінене по положенню максимумів у розподілі Ф(фц), при малих значеннях струму складає 6л=(4-г5,5)-10-3 і зростає на ~30% зі збільшенням струму до І~І1к.

Аналіз кутового розподілу випромінювання Ф(фц) з двома максимумами показав немонотонну поведінку коефіцієнта астигматизму випромінювання, що виражається як

де £{х) - розподіл комплексної напруженості електричного поля вздовж осі * (вздовж площини /»-«-переходу) на дзеркалі резонатора. На основі літературних даних, для даних ЛГС

де Ф(ф^,) відповідає максимуму Ф(фц); Ф(0) виміряно на осі резонатора. Величина К, що зростає зі струмом при /£0,3/й, зменшується поблизу а потім різко зростає. На основі літературних даних це явище пояснюється взаємодією дефокусуючої дії розподілу показника заломлення п(х) з мінімумом при *=0 (під

(9)

ІС~Ф(фіІИ)/Ф(0),

(10)

центром полоскового контакту) та фокусуючої дії розподілу коефіцієнта квантового підсилення g(x) з максимумом при х=0. При /«/,* основну роль відіграє «(*); при зростанні,/до/іЛ домінуючою стає фокусуюча дія розподілу g(x). Насичення g(0) при досягненні порога генерації та розширення області, де відбувається квантове підсилення світла, приводить до зростання астигматизму при Виявлено, що коефіцієнт астигматизму вшіромінювання ЛГС в площині р-п-переходу в лазерному режимі суттєво більший Для ТЕ моди, ніж для ТМ моди. За врахуванням того, що набігання фази при фіксованій неоднорідності показника заломлення пов’язано з довжиною пробігу фотона (з часом життя фотона в резонаторі), даний ефект можна пов’язати з відмінністю значень ефективного коефіцієнта відбивання для ТЕ і ТМ мод (rT¿>rm).

Поява перегину на залежності Ф(/), що спостерігався на деяких зразках ЛГС, супроводжувалась різким зростанням астигматизму випромінювання, тобто викривленням хвильового фронту. Це пояснює появу вказаного перегину Ф(7) різким зростанням втрат енергії, пов’язаних з розбіганням світлових хвиль з-під полоскового контакту в бокових напрямках і наступним їх поглинанням. Показано, що зростання астигматизму лазерного випромінювання з ростом струму в ЛГС з полосковим контактом можна врахувати в одномірній феноменологічній моделі лазера, вводячи зростання втрат, починаючи з деякого значення струму

(або при деяких значеннях g(I) чи Ф(7)). ....

Вимірювання показали, що коефіцієнт астигматизму К лазерного випромінювання в ЛГС з полосковим контактом дуже чутливий до деірадаційних процесів. Вимірювання коефіцієнта К можна використати для діагностики деградаційних процесів в ЛГС на ранніх стадіях. З другого боку, при технічному

застосуванні ДЛ необхідно враховувати дане явище........... '........

У п’ятому розділі наведено результати дослідження впливу температури та одноосного тиску на інтенсивності випромінювання ЛГС ФТЕ та Фти, відповідно, в ТЕ та ТМ модах (з коливаннями електричного вектора в площині р-л-переходу та перпендикулярно до неї). Температурна залежність інтенсивностей спонтанного випромінювання з поляризацією, що відповідає ТЕ та ТМ модам, мала вигляд

Ф ТЕ, гм( 7)=Ф0Г£ ТМ 'ЄХР(' Т/То), (11)

де величина Т0 була приблизно однакова для ТЕ і ТМ мод і складала Го=105+І f 5К. В режимах квантового підсилення спонтанного випромінювання та лазерної генерації залежність ФГ£(Т) була значно сильнішою, ніж ФГМ(Т). Даний ефект пояснюється на основі одномірної моделі Кассіді, яка дає

де i=TE, ТМ; Ф°№ ,Фати = const; т№ гти • ефективні значення коефіцієнта відбивання від дзеркал резонатора для ТЕ і ТМ мод, відповідно;

де g, - коефіцієнт квантового підсилення світла (на одиниці на одиниці довжини променя); L - довжина резонатора. Нелінійність залежностей Ф,(&Л) ПРИ гте>гтм пояснює вказаний ефект. Температурна чутливість ступеня поляризації випромінювання S7(7)-l Др/Д7І немонотонно залежела від струму накачування і мала максимум при І>ІЛ.

Одноосний тиск Р зменшував інтенсивність ТЕ моди Ф7£ та збільшував Фтм, що пояснюється, за врахуванням літературних даних, розщепленням підзон важких та легких дірок. Встановлено,що в режимі квантового підсилення спонтанного випромінювання та в лазерному режимі І ДФ^Р)! >АФти(Р), причому відношення ІАФ TE(Pj /АФТМ(Р) досягало значень 10+15, тобто загальна інтенсивність випромінювання Ф(Р) зменшувалась з ростом Р. Зростання втрат випромінювання з ростом Р пояснюється збільшенням інтенсивності спонтанного випромінювання, пов’язаного з переходами електронів у підаону легких дірок. Це випромінювання ненаправлене і в значній мірі поглинається в ЛГС.

Встановлено, що чутливість ступеня поляризації випромінювання ЛГС до тиску 5/=| Др/АРІ різко зростає зі зростанням струму при переході від спонтанного до лазерного режиму. Залежність Др(Р) була лінійна у дослідженому діапазоні тиску P&S0 МПа та струму /5200 мА. Такі особливості залежностей р(Р) та р(7) пояснюються нелінійністю залежностей <t>rJs(gге) та ФТіАЯтм) в (12) з врахуванням (13), лінійністю залежностей gTJ,P) та gr/J.P) та виконанням нерівностей ІФ/Р)-ФХОЗІ «Ф,(0), де і=ТЕ,ТМ. Залежність Sr{I) має максимум при I=Im>Ilh. Спадання Sjil) та S?(I) при високих значеннях струму накачування обумовлене зростанням втрат, пов’язаних з астигматизмом світлових хвиль.

Залежності р(7) та р(Р) можна використати для створення диференційних оптоелектронних сенсорів температури з чутливістю 5'г=(0,005+0,01)К-> та тиску з

Тривала дія одноосного тиску та струму приводила до деірадації ЛГС, яка супроводжувалась зростанням тунельно-рекомбінаційної компоненти струму, підвищенням порогового струму та зниженням диференційної ефективності. Спостерігалося зниження (з урахуванням знаку) ступеня поляризації

<?,=ехр(&1),

(13)

чутливістю 5/,=(0,002+0,003)МПа-'.

випромінювання р в процесі деградації. Даний ефект пояснюється пластичністю металевого шару, що знаходиться між ЛГС та мідним тепловідводом. Пружне розширення ЛГС в площині />-иг-переходу під дією одноосного тиску 'та розігрівання струмом приводить до повільної пластичної деформації металевого шару. Після зняття тиску металевий шар утримує ЛГС у розтягненому стані.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ‘ ' "

1. Розроблено модель тунельної поверхневої рекомбінації в /»-«-структурах, яка пояснює хід вольт-амперних характеристик ЛГС при різних температурах, а також дає змогу визначити швидкість поверхневої рекомбінації при спрямлених зонах і знайти її температурну залежність. г

2. Врахування локальної невипромінювальної рекомбінації в розробленій

моделі кінетики електролюмінесценції пояснює особливості неекспоненціальної кінетики електролюмінесценції р-п-структур з тонкою активною областю. На основі даної моделі розроблено та випробувано методику визначення об'ємного часу життя неосновних носіїв заряду в р-л-переходах. .

3. Виявлено “надлишкову” поляризацію спонтанного випромінювання ЛГС з переважною орієнтацією електричного вектора в площині р-и-переходу та пояснено її природу випромінювальною тунельною рекомбінацією поблизу неоднорідностей, що порушують планарність р-и-переходу. Розроблено методику розділу внесків у випромінювання ЛГС вказаної тунельної рекомбінації та генерації фотонів всередині активної області. Це дає змогу визначити механічні напруження в активній області та оцінити неоднорідності ЛГС.

4. Встановлено, що астигматизм світлових хвиль в ЛГС з полосковою

геометрією виникає при малих значеннях струму накачування ( /¿0,1/й ,де /й -пороговий струм) і немонотонно залежить від струму. Зростання астигматизму (для ТЕ моди набагато сильніше, ніж для ТМ моди) веде до зменшення диференційної ефективності ЛГС, до насичення ступеня поляризації р та зниження чутливості р до зовнішніх впливів. Зростання втрат, пов’язаних з астигматизмом, враховано в одномірній феноменологічній моделі діодного лазера (ДЛ). '

5. Встановлені закономірності впливу одноосного тиску та температури на "ступінь поляризації р випромінювання ЛГС дають змогу використовувати ДЛ як

диференційні сенсори температури з чутливістю 57=ф/£/7ЦО,605-і:0,01)К-і та тиску з чутливістю Бр- ф/«/Р=(0,002+0,003)МПа-'.

6. Виявлено закономірності деградації ЛГС при їх використанні як сенсорів тиску: а) зростання незипромінювальної тунельно-рекомбінаційної компоненти струму, локалізованої поблизу дислокацій, що генеруються під час деградації;

б) виникнення та зростання “надлишкової” поляризації випромінювання, пов’язаної з випромінювальною тунельною рекомбінацією поблизу дислокацій;

в) розтяг активної області в площині р-и-переходу, обумовлений пластичною деформацією металевого шару, що знаходиться між ЛГС та тепловідводом; г) зростання астигматизму випромінювання, пов’язане з просторовою неоднорідністю деградаційних процесів.

Результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Ptashchenko A.A., Deych M.V., Mironchenko N.V., Ptashchenko F.А. Polarization of the spontaneous radiation of stressed laser heterostructures// Solid-State Electronics. - 1994. - V.37, №4-6. - P. 1255-1258.

2. Ptashchenko A. A., Ptashchenko F.A. “Excess” polarization of the spontaneous emission in laser heterostructures// Solid-State Electronics. - 1996. - V.39, №10. - P.1495-1500.

3. Ptashchenko A.A., Melkonyan D.V., Moroz N.V., Ptashchenko F.A. Effect of local nonradiative recombination on time-resolved electroluminescence of p-n-junctions// Physica Status Solidi (a). - 1997. - V.I59, №2. - Р.523-5Э4.

4. Птащенко Ф.А. Кинетика электролюминесценции p-n-псреходов с утечками// Журнал Прикладной Спектроскопии. - 1998. - Т. 65, № 3. - С. 450 - 453.

5. Птащенко О.О., Птащенко Ф.О. Механічні напруження та деградаційні процеси в лазерних гетероструктурах// Фізика і хімія твердих тіл. Вісн. Ів.-Франк.

кр. відд. УФТ та Прикарпатського ун-ту ім. В.Стефаника. -1998. - №6. - С. 67 - 75.

6. Ptashchenko А.А., Ptashchenko F.A. Tunnel surface recombination in optoelectronic device modelling//Proc. SPIE. - 1997. - V.3182. - P. 145-149.

7. Ptashchenko A.A., Prokopovich L.P., Deych M.V., Ptashchenko F.A. Polarization of the subthreshold radiation of semiconductor lasers// International Conf. on Microelectronics and Computer Science. - Kishinew Moldova). - 1992. - V. I : Microelectronics. - P.68-70.

8. Птащенко A.A., Дейч M.B., Прокопович Л.П., Птащенко Ф.А. Поляризация подпорогового излучения и механические напряжения в активной области лазерных диодов// Тезисы докладов Научно-технической конференции

“Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов". -Нижний Новгород-Астрахань. - 1992. - С.46.

9. Ptashchenko А.А., Ptashchenko F.A. Polarization effects in stressed AlGaAs laser heterostructures// Abstracts of the First International School and Conference on Polarization Effects in Lasers and Spectroscopy. - Toronto (Canada). - 1997. - P. TU.2-.45.

10. Пташенко A.A., Птащенко Ф.А. Поляризационные явления в

полупроводниковых лазерах с полосковой геометрией// Тезисы 2-го Белорусско-Российского семинара “Полупроводниковые лазеры и системы на их основе”. -Минск. -1997,-С.12. . .

. , .... АІЮТАЦІЯ ' '

Птащенко Ф.О. Просторово-неоднорідні рекомбінаційні процеси і поляризація випромінювання в лазерних гетероструктурах на основі GaAs-AlGaAs.

- Рукопис. ■

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків. - Одеський державний університет їм. І.І.Мечникова, Одеса, 1998.

Дисертацію присвячено . дослідженню впливу неоднородностей рекомбінаційних .процесів, .на властивості лазерних гетероструктур (ЛГС) з полосковою . геометрією. Встановлено закономірності вольт-амперних характеристик,;;; кінетики електролюмінесценції, “надлишкової“ поляризації спонтанного випромінювання, структури дальнього поля, поляризації та астигматизму лазерного випромінювання, пов’язані з неоднородностями в ЛГС. Запропоновано методикиоцінки (неоднородностей. Показано можливість використання ЛГС як сенсорів температури та тиску. Встановлено особливості деградаційних явищ в ЛГС, що використовуються як сенсори тиску.

Ключові слова: діодний лазер, ’ поверхнева рекомбінація, тунелювання, поляризація, астигматизм, неоднорідність, тиск, сенсор, деградація. .

Птащенко Ф.А. Пространственно-неоднородные рекомбинационные процессы и поляризация излучения в лазерных гетероструктурах на основе GaAs-AlGaAs. - Рукопись. ,

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - Физика полупроводников и

диэлектриков. - Одесский государственный университет им. И.И. Мечникова, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена исследованию влияния неоднородностей рекомбинационных процессов на свойства лазерных гетероструктур (ЛГС) с полосковой геометрией. Установлены закономерности вольт-амперных характеристик, кинетики электролюминесценции, ’’избыточной” поляризации спонтанного излучения, поляризации и астигматизма лазерного излучения, связанные с неоднородностями в ЛГС. Предложены методы оценки неоднородностей. Показана возможность использования ЛГС как сенсоров температуры и давления. Установлены особенности деградационных явлений в ЛГС, используемых как сенсоры давления.

, Ключевые слова: диодный лазер, поверхностная рекомбинация,

туннелирование, поляризация, астигматизм, неоднородность, давление, сенсор, деградация. '

Ptashchenko F.A. Spatially-inhomogeneous recombination processes and polarization of the emission of GaAs-AlGaAs laser heterostructures. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in physics and mathematics by speciality 01.04.10

- Physics of semiconductors and dielectrics. - I.I. Mechnikov Odessa State University, Odessa, 1998.

The thesis is devoted to a study of the effect of inhomogeneous recombination processes on the properties of laser heterostructures (LHS) with stripe geometry. The features of I-V characteristics, decay curves of the electroluminescence, “excess” polarization of the spontaneous emission, far-fteld structure, polarization and astigmatism of the laser emission, related to inhomogeneities in LHS, have been established. Some techniques for an estimation of the inhomogeneities are proposed. A possibility of an application of LHS as temperature- and pressure-sensors is shown. Some features of degradation effects in LHS used as pressure sensors have been established.

Key words: diode laser, surface recombination, tunnelling, polarization, astigmatism, inhomogeneity, pressure, sensor, degradation.