Создание и исследование длинноволновых полупроводниковых лазеров на основе твердых растворов GaInAsSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОСС МЕКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

Р Г г

® 0/1 правах рукописи

Г ''"•-}

■> ■ УДК 621.315.592

БЕШИН Сергей Юрьевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИННОВОЛНОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДО РАСТВОРОВ аа1пАвЗЬ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.5.Иоффе РАН.

Научный руководитель: к.ф.-м.н., с.н.с. Ю.Л.ЯКОВЛЕВ.

Официальные оппоненты: д.т.н. И.Н.АРСЕНТЬЕВ,

к.ф.-м.н. Л.Н.КРЩУК.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский электротехнический университет.

Защита состоится "50" 1995 г. в /-5" часов

на заседании специализированного совета К.003.23.01.Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по адресу ученому секретарю специализированного совета.

Д|^тс^еу^ои-л ук^сел«:« [2. /У3£~г.

Ученый секретарь специализированного совета,

к.ф.-м.н. Г.С.Куликов

- глодал ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность хеш. Интерес к длинноволновом лазерам для спектрального диапазона 1.8 - 2.5 м;м обусловлен рядом при':нл:

-необходимостью создания активных1 элементов в системах газового анализа в целях охрани окружающей сродц, поскольку в этом диапазоне лежит ряд линий поглощения природных и промыилошшх газов;

-наГтичие чрезвычайно .низких 1СГ?-10~эдб/кгл оптических потерь н этом диапазоне для оптических волокон III поколения (это на I--2 порядка ниже, чем.в кварцевых волокнах на длине волны 1.55 мкм).

Наиболее перспективными материалами для изготовления лазеров в спектральном диапазоне 1.8 - 2.5 мкм являются узкозошше соединения А3В5 и многокомпонентные твердые растворы на их основе, -в частности GalnAsSb.

Преимущество четырехкомпонентных твердых растворов состоит в гом, что в них независимо momio изменять концентрации компонентов и тем самым управлять шириной запрещенной зоны и параметром решетки, что позволяет использовать бинарные подложки и получать гетероструктурц с совершенной границей раздела.

Твердые растворы GalnAsSb, изшориодиые к подложно GaSo, позволяют, получать гетероструктурц для изготовления .лазеров на длину волны более 1.8 мкм. Однако, существующая в данной системе твердых растворов область несмешиваемости осложняет создание лазеров с длиной волны более 2.5 мкм.

Перспективность спектрального диапазона 1.6 - 2.5 мкм, наличие интересных технологических проблем, уникальность рассматриваемой системы, особенности физических процессов, протекающих в рассматриваемых структурах, привлекают внимание исследователей к изоперяодшм структурам на основе твердого раствора GalnAsSb.

Цель ¡1 aazaiiü райотд. Цель работы - установление влияния излучательной и безызлуча;г9льн0й интерфейсной рекомбинации на ■ электролюминисцеитные свойства лазеров на гетеропереходах первого и второго типов.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:

-разработка технологи!; и изготовление лазеров с различней конфигурацией, как лазеров на основе гетеропереход;;. I типа, т.-ж и лазеров нэ основа гетеропорзхцдп II тили.

■ 4- "

¡пучение влияния n-n - геюрограшцц на характеристики

JI':r;op'JD.

исследование влияния интерфейсной излучательной Р'лгомокшцпи «а пороговые характеристики лазеров.

исследовании влияния гетерограншш на • безызлучателыше процессы рекомбинации. ., '

iicüíiiiüda ц щ.естьшеу.аа ценности хжещаашш:

- Разработана технология выращивания четирехкомдонентных растворов GaEnAsSb и GaAlAsdb изонериодных GaSbt

Установлено влияние состава жидкой фазы на изопериодность слоев к подложке GaSb и степени пере сытешш раствора - расплава на параметр рицетхн кристаллизуемого твердого раствора.

Разработана технология фотолитографического изготовления мезаполоскоЕых лазеров, зарощвшшх лазеров с серповидной активной областью, лазеров с мезаполосковам пьедесталом на подложке, а также канального ззрещешюго лазера па террасе.

Созданы низкопороговые длинноволновые (Л=2.0-2.2 мкм) лазеры на основе гетеропереходов в системе GalnAsSb/GaSb/GaAiAsPb, работающие при комнатной температуре с пороговым током I Ui--60-ТОЛ/см2 (Т-77К.) и Ith=5-T кА/см^ (Т-300К).

-Установлено . влияние интерфейсной рекомбинации на л!'миш1сцекткыо свойства лазеров и показано, что при низких течтаературах основной вклад в" интерфейсную рекомбинацию дает я:'лучательшя рекомбинация на п-п-гршшце.

-Обнаружен новый механизм оже-рекомбинации, обусловленный юаимодействи&м гетерограницы с ялоктронами и дырками. ííaiHüia гкшжшя, siiiLoenMií!.' ta ¡¿цщду: I.Период кристаллической решетки и состав эштакси&пышх' слоов GalnAsSb,. полученных методом жидкофазной эпитакскя при тог/пературе S35K, .зависят от состава эдкой фазы к нсотшш ее пероевдения:

-- с увеличением содержания с.урьмы в жидкой фазе период р^аитки увеличивается, а с увеличением шшьяка - уменьшается, i'[;vi4'.'M зависимость от концентрации мышьяка тем склькио, чем больше величина несоответствия периодов решетки слоя и подложки GaSb;

- увеличение пересыщения расплава приводит ic увеличению триода решетки твердого раствора, что обусловлено уменьшением ¡Фиктивного коэффициента сегрегации млшьяка.

Й.В дл'.пнюволновнх лазерах на основе гетеропереходов II типа

I t

GalnAsSb/GaAlAsSb и GalnAsSb.'CaSb с толстой активной областью с!>ОЛмкм наблюдается сдвиг когерентного излучения относительно максимума спонтанного излучения, что обусловлено догашнрованкем квазимежзошюй излучателыюй рекомбинации в активной области. В лазерах с тонкой активней областью (А<0;7мкм сдвиг когерентного излучения не наблюдается, что обусловлено доминированием интерфейсной рекомбинации носителей в активной области.

З.В длинноволновых ДГС лазерах с тонкой активной областью (скО.бмкм), когда существенно взаимодействие носителей тока с гетерограницей, зависимость плотности порогового тока от температуры удовлетворительно описывается в рамках боспорогового к.здаяз .озю-рехомбюшщш, теоретичоеки предсказанной Г.Г.Зегря и В.А.Харченко (5КЭТФ IOI, 827 (1992)).

ВрИОЩШ! результатов. Представляемые к защите осношио результаты noi созданию и исследованию длинноволновых готеролазеров ни основе системы GalnAsSb/GaÂlAsSb и GalnAsSb/GaSb и связанные с н/ми нэучние положения получены впеувие.

Значение результатов работ;;. Полученные образцы лазеров, работающие при комнатной температуре, используются ь ряде академических и отраслевых институтах для измерения влажности бумаги, определения содержания различных газов в атмосфере я т.д.

Публикации Основное содержание диссертации к результаты опубликованы в четырех статьях, докладывались и обсуждались на международной конференции Lacer М2Р (Лион, 8-10 декабря 1993г.). а тшеке на I Российской конференции но физике полупроводников (Нижшй Новгород, 10-14 .сентября 1993 г.)

Список основных публикаций приводен в конце автореферата.

Стрхиущ а объем диссэргшщц. Диссертация состоит из в&эдеякя, трех глав, заключения к списка литературы. Она соде раит 'Ш страниц машшописного текста, 5? рисунков, S таблиц. Список литературы включает 404 наименований.

СОф^ЛКМЕ PALOTb!

Во введении обоснована актуальность оолнчши и ксслодсвпния длюшоволЕових гетеролазерор на оспоьч тпе^.ч j •к-тгорш <i>iTi>/^Jh, ¡•{".годится краткое содержание дяосуриииг.'ни«.« работ, iwf.-.-i.twHU v пуыя:* рипуи г')Л1 p'i^orif и к эаикте научние

ПОЛОЗ?.'!!!":1,

Б первой главу рассматриваются основные литературные данные, поевящопние четирехкомионентшм твердым растворам. Изложены свойство твордах растворов СаГпАзЗЬ и бинарных соединений, образующих этот твердый раствор. Проведон обзор исследований разового равновесия в системах йа1пАз5Ь и СаА1Аз5Ь-.'

Рассмотрена полупроводниковая система Ца1пАзЗЬ/СаЗЬ - и основные свойства лазеров на основе этой системы.

Последний параграф посвящен обзору полупроводниковых лазеров для спектрального диапазона 1.8-2.5мкм на основе твердых растворов С,а1пА.<?ЗЬ и СаА1Ай5Ь.

В конце главы имеются выводы по обзору современного.состояния развития • гетеродаззров на основе ааХпАаБЪ, обосновывается цель работы и излагаются поставленные в диссертационной работе задачи.

Вторая глава посвящена технологии создания лазерных структур на основе 0а1пАаЗЬ/СаА1Аз£Ь и Са1пАзЗЬ/СаЗЬ. Подробно описано получение твердых растворов Са1пАз8Ь изопериодаых СаЭЬ. При отработке, слоев этих твердых растворов большое значение тлела высокая повторяемость экспериментов при изменении содержания одного из компонентов или изменении условий роста слоев. Отработка роста • слоов производилась в сдвиговой или поршнвЕой кассете. В технологии создания этих слоев использовались данные расчетов фазового равновесия в системе Еа1г.АзЗЬ,.приведенные в первой главе. Основные сложности сыли связаны с получением твердых растворов, перекрывающих наиболее длишоволновий диапазон, в связи с наличием обширной области несмешиваемости.

В процессе работы выращивалась серия эпитаксиальаых слоев на год.;!пл-ах Са5ЬС 100] из расплавов. Расплавы представляли собой кгдкую фазу, в которой были фиксированы концентрации' галлия и оурьш, а изменялась концентрация мышьяка, либо были фиксированы концентрации галлия к шиьлм, а изменялась концентрация сурьмы.

ьыли получен? расчетные и экспериментальные. • зависимости содержания в зздеой фазе мышьяка, индия и .сурьмы от содержания 1 аллия. Концентрация сурьмы менялась в основном с целью добиться хорошей морфология слоев и хорошей границы слоев с подложкой ваБЬ, а концентрация мышьяка-для получения хорошей изопериодности слоя к подложке, и тага:е для .улучшения поверхностной морфологии.

Несоответствия периодов решетки полученных эпитаксиальных слоев и подложи измерялись методом широкорасходящогося пучка г°!г:г:'Чосских лучен. Л концентрация элементов в слоях определялась

на микроанализзторв "САМЕБАХ", Франция.

Поскольку особое внимание уделялось изопериодаости слое и с подложкой, был исследован к выявлен ряд закономерностей:

1. Период решетки тем больше, чем больше конце Н'грация сурьма.

2. Период решетки том больше, чем меньшо концентрация мышьяка.

3. Зависимость периода решетки от концентрации мышьяка тем сильнее, чем больше величина несоответствия периодов решеток.

Первая и вторая закономерности объясняются тем, что уменьшается эффективный коэффициент распределения мышьяка при увеличении пересыщения расплава. При увеличении скорости роста слоя из-за увеличения пересыщения, мышьяк, обладающий высоким коэффициентом распределения, и соответственно, малой концентрацией в расплаве, не успевает подходить к фронту кристаллизации и ого содержание в.растущем слое падает.

Третью закономерность можно объяснить эффектом стабилизации состава твердого раствора, проявляющимся когда периоды решетки слоя и подложки близки. По мере увеличения .начального несоответствия решеток стабилизация состава уменьшается и наблюдаемые зависимости становятся .более сильными.

Определена зависимость несоответствия периодов решетки эпитаксиальных слоев СаХпАзБЬ и подложи антимснида галлия в зависимости от пересыщения (ДТ) расплава.

Для определения пересыщениости расплзвов, исходя из иу. составов, вычислялась температура ликвидуса, наименьшая из которых была принята за точку отсчета. Установлено, что ошибка в температуре контакта расплава с подложкой в 1° приведет к сильному изменению периода решетки сдоя, и, скорее всего, сделает сто рост невозможным. Результаты исследований показали, что наилучшее кристаллическое совершенство эпитаксиальных слоев Сз1пАзБЬ достигается при несоответствии периодов решетки эпитаксиэльного слоя и подложки Д&/а<"1-*1СГл.

Достаточно . подробно исследовались вопросы технологии жидкостной эпитаксии слоев СаАХАзБЪ. Решена наиболее сложная задача - введение мышьяка в этот твердый раствор. Для введения мышьяка в расплав Са1пАзБЬ использовались следующие способы:

1. Введение мышьяка в шихту в точном соответствии с фазовой диаграммой.

2. Введение мыяьяю в житу п количестве, значив мьно нрешоактом его рпстьоримость в роспляь-з, цут°м гомогенизации при

а-

шсокой температуре.

3. Двухфазный метод, в котором мышьяк вводился в расплав из мочокристаллической подложки СаАз, находящейся в контакте с расплавом.

Рассчитаны изотерма ликвидуса изАХАзБЬ в модели регулярных растворов (при использовании первых двух методов -введения Аз) и изотерма ликвидуса СаА1А5БЬ с учетом энергии деформации разновесного слон, образующегося на подложке СаАз (третий способ впадения Аз). Отмечено., что в первом случае концентрация мышьяка в насыщенной жидкой фазе сильно зависит от концентрации сурьмы, а во втором случае концентрация мышьяка в расплаве практически не зависит от концентрации сурьмы и к тому же близка к максимально возможной при данной температуреЭто и позволяет воспроизводимо получать эгштаксиальнке слои СаА1АйЗЬ с максимальным содержанием мышьяка, а следовательно, выращивать изопериодные с СаЗ'о эпитаксиэльные слои с максимальным содержанием олкмпшя.

В этой главе рассмотрена также методика создания многослойных лазерных структур. Разработаны методики .создания мезаполосковых лазеров, лазеров с иезаполоскоЕЫМ пьедесталом на» подложке, канальных зарощенных лазеров на террасе и канальных зарощенных лазеров с серповидной активной областью.

. В третьей главе . сообщается об исследовании пороговой плотности тока лазерных гетероструктур раздельного оптического и электронного ограничения на основе Са1пАзБЬ. Определялась характеристическая температуру для различных участков температурной зависимости поротового тока. Было выяснено, что пороговые характеристики лазерных гетероструктур, отличающихся способом ограничения, различаются. Обащм для всех структур являлось то, что' п исследуемой области составов активной области величина сгшн-орбитальцого расщепления (А=0,75эВ) близка к ширине запрещенной зоны активной области (Ер=0.64зВ). Поэтому при нордаокил температуры выео Т=!50К существенным становился процесс буаыздучатольной СИНЯ ожо-рекомбинации (электрона из зоны проводимости и дырки из валентной зоны с возбуждением второй дырки в спин орбитальио отщепленную (50) зону). При дальнейшем повышений температуры (Т>250К) увеличешо скорости роста гюрогоюго тока связано с активизацией СНОС оже-рекомбинации (с восбукдсжем электрона из зоны проводимости), существенной ' при

температурах.

Двойные гетеростр.уктуры (ДГС) имели самуы высокую иорогсг.уп плотность тока, и его зависимость от Т была наиболее сильной. Минимальную пороговую плотность' тска имели структуры,* имеющие полноводные слои п-Са5Ь и р-4>а2Ь с толшшей активной области й=2мкм. Однако самую пологую температурную зависимость порогового тока имели структуры с таким же ограничением, по с сЬ !мкм.

Эти различия связаны с усилением влияния рекомбинации вблизи гетерограниц с активной областью, сопровождаемой сильным каналом безызлучателыюй комбинированной ожо-рекомбинации. При температурах, близких к комнатной, различия характеристик этих структур, вероятно, нужно связать с наличием разогрева в активной области, наблюдавшемся в структурах на основе аэХпЛзЗЬ.

3 третьей главе исследовано влияште и-п-границы в лазерах на генерацию когерентного излучения. В результате 'исследований было установлено, что у Ш'С лазеров с тонкой активной областью и лазеров с гетерограницей второго типа когерентное излучение возникает в центре спонтанной полосы, максимум которой сдвигается с увеличением тока в коротковолновую сторону. У .ЦТС лазеров с толстой активной областью когерентное излучение млело длинноволновый сдвиг относительно максимума спонтанного излучения. В лазерах на основе системы п-Са1пАг,с.Ь-р-&а5Ь лазерная генерация происходит' в центре спонтанной полосы, т.к.' тем имеется ступенчатая зависимость плотности состояний в двумерных потенциальных ямах, от энергии. Генерация когерентного излучения в центре спонтанней полоса в ДГС лазерах с тонкой активной областью свидетельствует о .наличии двумерных потенциальных ям и в этих лазерах. Такт ямы возникают вблизи п-п - границы. Яма для электронов ьсегдп возникает при установлении термодинамического равновесия на п-п-гроппкз. Яма для дырок возникает только при достаточно большой концентрации электронов в угкозоиноЛ (Лппста (?1017см"3;. При эти существует только одно двумерное состояние, Шиоктировошиге лырки локализуются в ней, способствуя бе углублении к делая яму для электровоз более мэлкой. Е- результате энергетическое расстояние между ряпрои^кшки состояниями для электронов и дырок увеличивается о ростом уровня анжеяшм. Поэтому экспчрийкнтгяько наблюдается увелги'«!" энергии максимума г увеличением тока. Наличие в спектрах ДГС лазеров, с толстой активней сбластью, кроме максимума, соответствующего

клгереитному излучению, еще и более коротковолнового максимума спонтанного излучения, говорит о существенном вкладе в излучение' обьемяой межзонной рекомбинации. Это доказывается присутствием обеих полос в спектре спонтанного излучения при токах меньше порогового. Таким образом, в лазерах на основе системы Са1пАзЗ'о/ОаА1Лз5Ь генерация когерентного излучения происходит не за . счет межзонных, переходов, а за счет переходов между - двумерными состояниями для электронов и дырок в узксузонном слое вблизи п-п-границы. Оценена эффективность излучатолышх переходов из анализа зависимости порогового тока I от толщины узкозонного слоя.

В третьей главе также изучена природа длинноволнового сдвига спектра когерентного излучения в гетеролазерах на основе Са1пАзБЬ. лаг;еры со слоями -ОаБЬ п-типа, введенными в структуру' между ограничительным п-СаА1АзЗЬ и узкозонкым п-Са1пАз5Ь. слоями, не имели длинноволнового смещения когерентного излучения.'Лазеры со слоями (;Э5Ь р-типа не юкж длинноволнового сдвига в тех случаях, когда р-п-порехоц совпадал с гетерограницей узкозонпой области СаГаАвЭй и или смещался в слой КаБЬ. Если р-п- переход находился в увкозовной области СаГпАзЬЬ. то длинноволновый сдвиг наблюдался в лазерах с толщиной узкозонпой области <3>0.6мкм. В ДГС лазерах дллшюЕолябЕыЙ _сдвиг. наблюдался такие в структурах с достаточно толстой узг.озоннсй областью :-0.7мкм.

Кроме того , все лазеры, имеющие длинноволновый сдеиг при азотной температуре, имели его' и при комнатной температуре, но некоторые лазеры с промежуточной толщиной узкозонной области и расстоянием от р-п-яерехода до п-п-границы ^0.5мкм, генерирующие в максимуме спонтанной полосы при 77К, имеют длинноволновый сдвиг при й£>оК. . ■

Отмочено, что лазеры с активной областью Са1пАзЗЬ, ограниченной с двух сторон СаЗЬ п- и р-типа, являются структурами, возникновение у которых лазерного излучения всегда в максимуме спонтанной полосы представляет , собой экспериментальное подтверждение того факта, что при рекомбинации в квантово-размерной яме лазерное излучение возникает всегда в максимуме спонтанной полосы.

'В лазерах, имеющих в волноводаой области п-С-аБЬ* не наблюдается длинноволнового сдвига, т.к. в этом случае генерация излучения восивсает при рекомбинации в квантово-разкерной яме на

п-п-границе СаБЬ и СаГпЛяБЬ. Лязери, имеющие в золноводной области рЧЗа5Ь, могут бить квантово-размерными, когда р-п-пере ход у них совпадает с гетерограницей п-Са1пАз5Ь/р~СаЗЬ, т.к. в этом случае образуется наведенная самосогласованная квантово-размерная, яма. В том случае, когда р-п-пероход находится в СаБЬ, структура ничем но •отличаются от лазеров с введенным в волноводную область а-С-аБЬ, т.е. оказываются квантово-размерными, имэщими яму па п-п-границе Са1лАзЗЬ/СаБЬ. Если р-п-переход находится в узкозонной области, то инжектированные им носители заряда рекомбшшруют в узкозошюм слое, прежде чем достигнут гетерограннцы, и дают мекзоннне излучения. Поэтому при большой толщине узкозонного слоя возможен длинноволновый сдвиг. В этом отношении такие лазеры подобны ДГС лазерам.

Поскольку в спектрах некоторых ДГС лазеров пет длинноволнового 'сдвига, значит, на п-п-границе СаА1АсБЬ/Са1пАсЗЬ имеется достаточно эффективная квантово-размэрноя яма, через которую глав:шм образом происходит излучателнюя рекомбинация. Однако при больших толщинах активной области ОО.Тмкм) наблюдается наряду с полосой, в которой при пороговом токе происходит генерация когерентного излучения, более коротковолновая полоса межзонной рекомбинации, заметная и при пороговом токе. Это и создает кажущийся эффект длишоволневого смещения когерентного излучения в лазерах. Когерентное излучение возникает в более длинноволновой полосе потому, что инверсия заселенности в квэнтово-расмерной яме больше, чем в гомозонном обьеме.

В ДГС лазерах, когда р-п-переход совпадает с гетерограницей п-Са1пАвЗЬ/р-СаА1АаЬи, на гетерограшше не образуется достаточно аффективной квантово-размерной ямы, как в случз? л-ЗаТпЛ^ЗЬ/р-СаЗЬ. Генерация лазерного излучения происходит па п-п - границе Са1пАзЗЬ/СаЛ1ЛвйЬ. Это подтверждается характером поляризации света. Лазерное излучение имеет Тл-поляризапию. Дырочное облако вблизи п-п-границы находится внутри более размытого облака электронов, т.к. аффективная масса дырок" больше, чем электронов, а потенциальная яма для них мельче. В результате электроны рекокоинируюг в основном с тяжелыми дырками,. которых значительно больше ,чем легких, давая ТЕ-поляркзацию. Слабое перекрытие волновых функций электронов и дырок при локализации их по разные стороны р-п-перехода П-тила приводит к преимущественной рекомбинации электронов с легки:«!

.гирками, ■ которой дает ТМ-поляризацию. Появление длинноволнового сдвига при 22&К в лазерах, не имеющих его при 77К, тоже подтверждает положение о разных механизмах рекомбинации, определяющих длинноволновую к коротковолновую полосы. Длинноволновая полоса определяется рекомбинацией в самосогласованных квантово-размерных ямах, коротковолновая полоса обусловлена межзонной рекомбинацией в сОьс-ме узкозонного материала активной области. Доля излучения исл-лдстшж рекомбинации должна возрастать с увеличением температуры кз--оа оолее сильной температурной зависимости эффективной плотности состояний в разрешенных зонах (~Т3 2), чем в квантовых ямах (~Т).

Таким образом, определено, что в гетероструктурах на основе Сз1пЛо5Ь лазерное излучение возникает при рекомбинации электронов с тяжелыми пли легкими дырка?,® в самосогласованных квантово-раомерных ямах на геторограшцо:

Длшшоволновый сдвиг лазерного излучения относительно максимума спонтанного излучения возникает в случае присутствия в спектце больного количества излучения, обусловленного межзонной рекомбинацией носителей заряда в обьеме узкозонного материала активной области и определяющего зтот максимум.

Количество межзонного излучения узкозошгого материала зависит от расстояния,, преодолеваемого дырками от инжектирующего их р-п-нерехбда. до самосогласованной квантово-размерной я на п-п-границе. ино становится сравнимо с интерфейсным излучением, когда это расстояние составляет 0.5-0.7мкм и больно.

Также были проведены иссдедова!шя влияния интерфейсной рэкохЗзоэиии на пороговые характеристики Са1:;Л&БЬЛ!а5Ь лазеров и определены засисимости порогового тока от длиии резонатора Ь и от толщины ьолноводного слон а. Установлено что при 77К пороговый ток почти не зависит от длины резонатора в обоих типах лазеров. Это свидетельствует о том, что мощность выходящего из »»агора излучения значительно бодьш, чем поглощаемого внутри лазера. При комнатной температуре I,. несколько возрастает с увеличением Ь при Ь.'ЗООмкм, что означает увеличение поглощения внутри лазера на свободных ;;осн'"елях заряда, т.к. дщ^з официальная излучательная эффективность п'»/о1 :гри комнатной температуре значительно меньше, чем при 77К. "Однако изменение порогового, тока не нрошвоет п последавзном

интервале длин резонаторов.

В результате исслодог,аниЧ зависимости порогового тока I... от

толщинн еолноводного слоя (с!) установлено, что как при 77К, так и при комнатной температуре I ь линейно возрастает с увеличением (1, что обычно наблюдается при удовлетворительном оптическом ограничении. Интересной же особенностью зависимости является то, что экстраполяция их' к нулевому значению <1 дзет только для

ДГС лазеров при 77К. Во всех остальных случаях имеются отсечки 1тЬ на оси I при 6=0 и, соответственно, отсечки отрицательных значений на оси <1 (й ) при I -=0. Пересечение зависимости I от и с началом координат в ДГС лазерах при У7К свидетельствует, во-первых, об удовлетворительном оптическом ограничении электромагнитной волны, во-вторых,' может быть следствием преобладания обьемне-й излучательной рекомбинации над интерфейсной.

В лазерах с гетерограницей II типа положительные значения свидетельствуют о значительной интерфейсной рекомбинации, ¡сак это н должно быть в лазерах на гетеропереходах II типа с самосогласованны:® потенциальными ямами. Скорость интерфейсной рекомбинации здесь можно характеризовать равной ей скоростью обьемной рекомбинации в слое толщиной (11п, при той же рознице между квазиуровнями Ферми. Эксперцмэнтилыю наблюдаемое с! свидетельствует, что существуют величины <з1п4. т.е. существует интерфейсная рекомбинация. Слабость зависимости от с! говорит о существенном преобладании интерфейсной рекомбинации над обьемной. Характер рекомбинации приблизительно одинаков в полосковых и серповидных лазерах, т.к. й0 в них почти одинаковы, а I различаются во столько же раз, во сколько различается ширина активной области.

При 295К в ДГС лазерах интерфейсная ■ рекомбинация не может быть связана с самосогласованными потенциальными ямами, т.к. гетерограницы в них размыты из-за диффузия' А1. Наличие интерфейсной рекомбинации при 295К при отсутствии потенциальных ям можно объяснить, если учесть, что в ДГС лазерах при 77К преобладает излучательнэя рекомбинация, а при 295К - безызлучательная. Действительно, безызлучателъный оже-процесс должен значительно активизироваться вблизи гетерограницы внесением неопределенности в значеш'.е импульса электрона при квантомехзническсм проникновении . его через гетерограницу. На излучательную рекомбинацию такое проникновение но может сильно влиять, но оке-процесс мочеет активизировать сильно из-за вовлечения в тго дырок с малыми

-и-

импульсами, в том числе и легких дырок. Следовательно, в исследованных ДГС лазерах при комнатной температуре представляется значительной оже-рекомбинация на гетерогракице. Этот новый механизм оже-рекомбинации выявлен впервые. Скорость оже-рекомбинации на готерогранице весьма . велика, т.к. равна скорости обьемной рекомбинации в слое'толщиной (10=!мкм.

Не исключено, что обнаруженная в ДГС лазерах интерфейсная оже-рекомбинаидн существенна и в лазерах с самосогласованными потенциальными ямами, т.к. с10 ъ них почти одинакова.

В третьей главе также исследованы особенности температурной зависимости пороговой плотности тока лазеров на основе■Са1пАз5Ъ с тонкой активной областью.

До сих пор были подробно . ¡изучены два' механизма безызлучательной рекомбинации носителей:

а) оже-рекомбинация электрона из зоны проводимости и дырки из валентной .зоны с возбуждением второй дырки в спин-орбитально отщепленную (БО) зону (ОННБ-процесс);

• б) оке-рекомбинация электрона и дырки с возбуждением второго электрона из зоны проводимости (СНСС-процесс)..

Был вычислен пороговый ток I ь с учетом указанных процессов рекомбинации и проведено сравнение с экспериментом. Оказалось, что для готероструктур с достаточно толстой активной областью имеется хорошее согласие теоретических результатов с экспериментальными данными. Для. лазерных гетероструктур с тонкой активной областью с1<10_4см, в широком диапазоне температур наблюдалось количественное и качественное расхоздение теории с экспериментом. Основная причина расхождения теории с экспериментом состоит в пренебрежении влиянием гетерограницы .на процессы . безызлучательной рекомбинации.' Гетерограница как источник сильной пространственной неоднородности снимает ограничения, накладываемые на межэлектронные процессы столкновения законами сохранения энергии-импульса, что приводит к появлению беспороговых каналов оке-рекомбинации.

Предложен новый механизм безызлучательной рекомбинации -комбинированный оже-распад, существенно влияющий на величину пороговой плотности тока в структурах с тонкой активной область». Комбинированный оже-процесс является главным безьслучателышм процессом рекомбинации в лазерных гетероструктурах при: низких температурах.

Лля определения' вклада . комбинированного механизма оже-реком(5инации в пороговую плотность тока I была вычислена скорость такого процесса в объеме:

в в

где Е~ - ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника; nenh - концентрации электронов и дырок; S - площадь гетероконтакта; Еь=шае4/( 2ti2 X2) - боровская энергия электрона; A4i/(meEg) -характерная длина.

Отсюда следует, что скорость такого процесса прямо пропорциональна высоте гетеробарьора V, и обратно пропорциональна толщине активной области d , и зависит от температуры степенным образом вблизи порога генерации. Вблизи порога генерации концентрации электронов и дырок зависят от температуры степенным образом (nth ~ Т3/г), тогда удельная скорость оже-рекомбинации g, а следовательно, и плотность тока, пропорциональная g, зависят от температуры как g ~

Характерная толщина активной области doh определяется из равенства g(d(,h)=G. Для пороговой плотности тока имеет место выражение Ith-ed(Rph+G+g), где Rph - скорость излучатольной рекомбинации, е - заряд электрона. С помощью ?той Формулы били рассчитаны температурные зависимости Ith, хорошо согласующиеся с экспериментальными зависимостями.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1.A. Н. Баранов., С. ¡0. Белкин ..Т.Н. Данилова., 0. Г. Ерков., А. Н. Име нков., ¡0. П. Яковлев. Генерация когерентного излучения на п-п границе в ДГС

f.alnAsSb лазерах.-Письма НТФ. ,1992.,т. 18.,в. 17.,с. 18-24.

2.А.Н.Баранов..С.Ю.Белкин..Т.К.Данилова.,О,Г.врисЛ.Д.Н.йменков.,№.П. Яковлев. Природа длинноволнового сдвига спектра когерентного

излучения в гетеролазерах на основе

ilalnAsSb.-ИП., ,т.26. ,в.П., c.I97I-IS76.

3.Б.С.Ксндратье п., А. Н. Именков., А. А .Попов., С .Ю. Белкин., ¡0. 1!. Яковлев., О.В.Андрейчук..Б.Е.Саморукоп. Пороговая плотность тока лазерных гетерострукт.ур раздельного ограничения на основе GairiA.vCo. -Письма ГГФ. ,1994., т .20. ,и.г-1., с .СП- с-з.

4.Г.Г.Зегря.,А.А.Андаспаева. .С.Ю.Белкнн..Н.А.Гунько. Д.Н.Йменков., Е.Ь.Фролушшна. .Ю.Л.Яковлев. Особенности температурной зависимости пороговой плотности тока ЕГО лазеров на основе Са1пАвЭЬ с тонкой активной областью.-ФГП.;1994.,т.28.

Отпечатало в типографии ПИЯФ зак. 554, тир. 100,уч. -изд. л .0/7 ; 14/Ш-1994Г. Бесплатно