Полупроводниковый лазер на основе квантоворазмерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком

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

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

2.4 Лазер с монолитным активным элементом 121.

2.5 Лазер с внешним зеркалом обратной связи 128.

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

3.1 Введение 140.

3.2 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры гпСдБе/гпБе 141.

3.3 Лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры с гексагональной кристаллической решеткой 184.

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

2 ¿-г.

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

3.6 Заключение к главе 3 226 Глава 4 Лазеры, излучающие в синей и ультрафиолетовой областях спектра 229.

4.1 Введение 229.

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

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

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

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

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

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

4.8 Заключение к главе 4 276 Заключение 278 Литература 281.

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

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

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

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

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

Во второй схеме данный тип лазеров используется как источник монохроматического излучения. В этом случае могут быть использована как продольная, так и поперечная накачка. Лазер с поперечной накачкой имеет много общего с обычным инжекционным лазером с излучением через сколотые поверхности. Преимущества и недостатки двух схем возбуждения: продольной и поперечной, — во многом схожи в инжекционных лазерах и лазерах с накачкой электронным пучком. При продольной накачке легче реализуется хорошая направленность излучения и генерация одной продольной моды. Кроме того, порог по току электронного пучка обычно значительно ниже, и легче достигается высокая средняя мощность излучения. Однако при поперечной накачке порог по энергии электронов обычно ниже. В обоих случаях КПД может быть выше 10%, что почти на порядок превышает эффективность используемых в настоящее время ксеноновых ламп в цветных дисплеях высокого качества. Размеры активного элемента и, соответственно, стоимость могут быть снижены более чем на порядок величины по сравнению со случаем использования в активных дисплеях.

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

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

Диссертация построена таким образом, что обзор литературы не выделен в отдельную главу, а приводится непосредственно перед описанием результатов исследований по конкретной проблеме. В первой главе представлены теоретические основы данного типа лазеров. Во второй, третьей и четвертой главах представлены экспериментальные результаты по реализации и исследованию лазеров, излучающих соответственно в красной, зеленой и сине-ультрафиолетовой областях спектра. В заключении подводятся итоги работы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Развита теория полупроводниковых лазеров с резонансно-периодическим усилением при объемной накачке сканирующим электронным пучком. Сделан анализ порогового условия лазера на основе периодической гетероструктуры с КЯ с учетом эффекта фотонного кристалла, создаваемого данной структурой. Показано, что учет отражения генерируемого излучения на гетерограницах увеличивает порог генерации из-за вытеснения моды резонатора из максимума спектра оптического усиления. Предложены гетероструктуры с согласующими слоями, существенно уменьшающие порог генерации.

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

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

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

5. Впервые реализован лазер на основе квантоворазмерной гетероструктуры Оа1пР/АЮа1пР с высокими характеристиками излучения в красной области спектра (620−660 нм). С использованием оптимизированной гетероструктуры достигнута выходная мощность лазера в 9.4 Вт на длине волны 640 нм с КПД выше 10% при комнатной температуре. Достигнута и исследована генерация в монолитной гетероструктуре с 13 КЯ Оа1пР/АЮа1пР и брэгговским зеркалом А^/АЮаАв. На аналогичной гетероструктуре с 25 КЯ получена генерация в резонаторе с внешним зеркалом обратной связи. Пиковая мощность составила 4 Вт при дифракционном качестве пучка (менее 10 мрад). При продольной оптической накачки этой гетероструктуры реализовано внутрирезонаторное удвоение частоты лазера и получена генерация на длине волны 312.5 нм.

6. Исследованы различные пути реализации лазера с высоким КПД при комнатной температуре для зеленой области спектра на основе квантоворазмерных гетероструктур соединений А2В6. Выявлены основные технологические проблемы создания таких структур и лазеров на их основе. Обнаружена и исследована температурная нестабильность и деградация гетероструктур гпСёБе/гпЗБе, обусловленная повышенной диффузией атомов Сс1 и Ъп через гетерограницы в присутствии структурных дефектов, которые в свою очередь генерируются релаксацией внутренних напряжений. Использование изначально неоднородных, релаксированных КЯ повышает стабильность гетероструктуры в целом. На таких гетероструктурах достигнута мощность генерации 4 Вт с КПД 4% на длине волны 535 нм. Впервые реализован лазер на двух других альтернативных гетероструктурах: на гетероструктуре СсШ8е/Сс18, выращенной на гексагональной подложке СёБ, и на гетероструктуре гпСсШ/гпЗБе на подложке ОаАэ. Обе гетероструктуры имеют гетеропереходы второго типа. Показана более высокая устойчивость гексагональной гетероструктуры к деградационным процессам. На гетероструктуре 2пСс18/2п88е с малыми внутренними напряжениями достигнута генерация с мощностью до 2 Вт на длине волны 478 нм.

7. Исследованы гетероструктуры 2п8е/2пМ§ 88е и лазеры на их основе для синей области спектра. Выявлены две технологические проблемы использования этих гетероструктур в лазерах. Показано, что твердый раствор 2пМ?88е требуемого состава склонен к распаду на несколько кристаллических фаз, что ухудшает транспорт носителей в КЯ.

Однородность ZnMgSSe повышается в периодических гетероструктурах, выращенных при оптимальных условиях роста. Установлено также, что атомы Mg диффундируют из барьерных слоев в КЯ, увеличивая неоднородную ширину линии излучения. Показано, что существенное улучшение структуры возможно при введении в КЯ атомов Cd с концентрацией в несколько процентов. На основе таких гетероструктур реализован лазер на длине волны 464 нм с мощностью до 10 Вт и КПД до 10%. 8. Впервые реализован и исследован лазер, излучающий в ультрафиолетовой области спектра (378 нм), на основе квантоворазмерных гетероструктур ZnSSe/ZnMgSSe, выращенных на подложках GaP. Максимальная мощность составила 2.8 Вт при КПД до 3%. Получена генерация на длине волны 409 нм при поперечной накачке электронным пучком гетероструктуры GalnN/GaN.

Полученные результаты могут быть использованы как при создании отпаянных приборов различного назначения, в частности источников монохроматического света для дисплейных технологий, так и при дальнейшем развитии технологии квантоворазмерных гетероструктур соединений А2В6 и полупроводниковых приборов на их основе.

В заключение автор считает необходимым отдать должное основоположникам полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком Н. Г. Басову и О. В. Богданкевичу.

Автор искренне благодарен Ю. М. Попову и О. Н. Крохину за постоянную поддержку исследований в данном направлении.

Автор благодарен A.C. Насибову, под чьим руководством автор принимал активное участие в разработке лазеров на основе монокристаллов. Эта разработка послужила отправной точкой для постановки данной работы, посвященной развитию лазеров на основе квантоворазмерных гетероструктур.

Особую благодарность заслуживают технологи, с которыми автору посчастливилось работать: П. И. Кузнецов, А. Б. Крыса, Ю. В. Коростелин, Ю. Г Садофьев, П. А. Трубенко, Д. А. Санников, И. П. Казаков, А. О. Забежайлов. Автор благодарен В. П. Мартовицкому за проведение рентгеноструктурного анализа исследуемых структур и плодотворные дискуссии по поводу их качества.

Автор благодарен Я. К. Скасырскому за многолетнюю и всестороннюю помощь в работе, а также В. Ю. Бондареву, Б. М. Лаврушину, Д. Е. Свиридову, В. К. Якушину и другим сотрудникам лаборатории за помощь в проведении ряда экспериментов и плодотворные дискуссии.

Заключение

.

Итогом данной диссертационной работы является создание научно-технологических основ полупроводниковых лазеров на основе квантоворазмерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком, работающих при комнатной температуре. Тем самым решена крупная научная проблема создания эффективных источников света в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, имеющая важное социально-культурное или хозяйственное значение.