Полупроводниковый лазер на основе квантоворазмерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком

• Автор: Козловский, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 300 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1 Основы работы лазера с накачкой электронным пучком
1.1 Введение
1.2 Лазер с монокристаллической активной областью
1.3 Порог генерации в лазере с активным элементом на основе многослойной
гетероструктуры
1.4 Использование квантоворазмерной гетероструктуры в качестве активной
среды лазера
1.5 Температурный режим работы активного элемента
1.6 Мощность излучения и эффективность лазера
1.7 Диаграмма направленности лазера
1.8 Срок службы лазера
1.9 Заключение к главе 1
Глава 2 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры
GalnP/AlGalnP, излучающей в красной области спектра
2.1 Введение
2.2 Первая реализация полупроводникового лазера на гетероструктуре
GalnP/AlGalnP с продольной накачкой электронным пучком
2.3 Температурная зависимость характеристик лазера. Однородность излучения активного элемента на основе гетероструктуры GalnP/AlGalnP

2.4 Лазер с монолитным активным элементом
2.5 Лазер с внешним зеркалом обратной связи
2.6 Заключение к главе 2
Глава 3 Лазер, излучающий в зеленой области спектра
3.1 Введение
3.2 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры ZnCdSe/ZnSe
3.3 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры с гексагональной
кристаллической решеткой
3.4 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры ZnCdS/ZnSSe с
разрывами зон II - го типа
3.5 Эпитаксиальные брэгговские зеркала на основе соединений А2ВЬ для
лазера, излучающего в зеленой области спектра

3.6 Заключение к главе 3
Глава 4 Лазеры, излучающие в синей и ультрафиолетовой областях
спектра
4.1 Введение
4.2 Гетероструктуры 2п8е/2пМ§88е, выращенные методом молекулярнопучковой эпитаксии
4.3 Гетероструктуры 7п8е/7пМаББе, выращенные методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений
4.4 Лазеры на основе гетероструктур 2пСй8е/2пМд88е, излучающие в синей области спектра
4.5 Лазер на основе гетероструктуры 2п8е/2п88е, выращенной на подложке гп88е
4.6 Лазеры ультрафиолетового диапазона 360-390 нм на основе пленок и
гетероструктур, выращенных на подложках ОаР
4.7 Лазер на основе гетероструктуры 1пОаН/ОаК
4.8 Заключение к главе 4
Заключение
Литература

Введение
Данная работа связана с поиском решения фундаментальной проблемы создания эффективных и дешевых источников монохроматического излучения в видимой области спектра для информационных технологий и дисплейных применений. На сегодняшний день предложен целый ряд перспективных схем отображения информации на большой экран, реализация которых сдерживается отсутствием соответствующих источников излучения. Наиболее востребованы источники направленного излучения с уровнем выходной мощности от 0.1 до 10 Вт и шириной линии излучения менее 10 нм. Большинству перечисленных требований соответствуют полупроводниковые лазеры [1,
2]. Среди них лазеры с инжекционной накачкой имеют широкие применения в различных областях науки и техники. Однако существует проблема с освоением видимого диапазона спектра для этих лазеров.
В последнее время значительные успехи были достигнуты в реализации фиолетового инжекционного лазера на основе Са1п1Ч/ОаА11пМ структур. В инженерной разработке фирмы МсЫа уже достигнута выходная мощность в 10 Вт в области 400-410 нм с коэффициентом полезного действия (КПД) примерно 10 %. Однако попытки продвижения в видимую область спектра путем увеличения содержания 1п в твердом растворе Са1пЫ натолкнулись на серьезные трудности, связанные с сегрегацией 1п. Лишь совсем недавно удалось получить генерацию в сине-голубой области спектра (455-493 нм), но КПД лазера падает до 4-5 %. Кроме того уровень мощности этих лазеров ограничивается 20 мВт. Наиболее длинноволновое излучение в лазерном диоде на начало 2009 года получено на длине волны чуть меньше 500 нм [3]. Мощность в непрерывном режиме составила 15 мВт с КПД меньше 1%.
Еще раньше, в 1991 году [4], был впервые реализован инжекционный лазер на основе ZnSe, излучающий в зеленой области спектра, но все усилия последних лет по увеличению срока службы этого лазера до уровня, позволяющего перейти к промышленному освоению, пока не увенчались успехом [5]. Одной из причин деградации лазера является ухудшение р-типа проводимости используемых гетероструктур при высоких уровнях возбуждения. Лишь в красной области спектра хорошие параметры достигнуты на инжекционных лазерах, у которых активной средой являются гетероструктуры ОаАИпР Однако для ряда применений эти лазеры имеют недостаточно высокое качество светового пучка.
В последнее время существенный прогресс получен в реализации второй гармоники твердотельных лазеров с оптической накачкой лазерными диодами, излучающими в инфракрасной области спектра [6]. Эти лазеры работают на определенных длинах волн,

Характеристики лазера в зависимости от длины диффузии неравновесных носителей
При накачке электронным пучком неравновесные носители генерируются в основном в барьерных слоях, а затем собираются в КЯ, где рекомбинируют и создают оптическое усиление. Очевидно, что эффективность лазера и другие основные параметры будут существенно зависеть от эффективности этого сбора. В частности, если толщина барьерных слоев существенно превышает длину диффузии неравновесных носителей, то часть этих носителей будет рекомбинировать в самом барьерном слое, не успев достигнуть КЯ. Принимая во внимание, что скорость рекомбинации в КЯ существенно возрастает, уменьшается время жизни носителей, то диффузионный поток может не справиться с возросшей рекомбинацией и, тем самым, становится фактором ограничения мощности лазера при больших превышениях над порогом. Эти процессы можно промоделировать следующим образом.
Рассмотрим одномерное диффузионное уравнение:
где О - коэффициент диффузии е-Ъ пары, п - концентрация этих пар, г - время жизни носителей в барьерном слое и О - скорость генерации е-Ь пар в барьерном слое при накачке однородным электронным пучком. Общее решение этого уравнения имеет вид:
Пусть я = 0 соответствует центру барьерного слоя толщиной и, тогда в силу симметрии Л — В и граничное условие на гетерогранице с КЯ можно написать в виде:

( _ ( ~ Л

-о- —-С при 2 = ±ЬьП

Подставляя (30) в (31) получаем