Введение к работе
Актуальность. Данная работа связана с поиском решения фундаментальной проблемы создания малогабаритных, 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 гетероструктур GalnN/GaAlInN. В инженерной разработке фирмы Nichia уже достигнута выходная мощность 10 Вт в области 400-410 нм с коэффициентом полезного действия (КПД) лазера примерно 10 %. Однако попытки продвижения в видимую область спектра путем увеличения содержания In в твердом растворе GalnN натолкнулись на серьезные трудности, связанные с сегрегацией In. Лишь совсем недавно удалось получить генерацию в сине-голубой области спектра (455-495 нм), но КПД лазера падает до 1-5 %. Кроме того уровень мощности этих лазеров ограничивается 20 мВт [3].
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 это ухудшение р-типа проводимости используемых структур при высоких уровнях возбуждения. Лишь в красной области спектра хорошие параметры достигнуты на инжекционных лазерах, у которых активной средой являются гетероструктуры GaAlInP. Однако для ряда применений эти лазеры имеют недостаточно высокое качество светового пучка.
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 квантоворазмерная ге-тероструктура, обеспечивающая резонансно-периодическое усиление. Сами ин-жекционные лазеры имеют недостаточно хорошее качество лазерного пучка, что затрудняет его преобразование во вторую гармонику. Использование внешнего зеркала позволяет получить одномодовую генерацию с дифракционной расходимостью излучения 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 электронным пучком. Эти лазеры были впервые предложены и созданы в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН [2, 8, 9]. Также как и при инжекционной накачке возможны две схемы реализации лазера: с поперечной и продольной накачкой. При поперечной накачке порог генерации по энергии электронов обычно ниже. Однако при продольной накачке легче реализуется хорошая направленность излучения и одночастотный режим генерации, достигается более низкий порог по току электронного пучка и высокая средняя мощность излучения. В обоих случаях КПД может быть выше 10 %, что почти на порядок превышает КПД используемых в настоящее время ксеноновых ламп в цветных дисплеях высокого качества.
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, ла-
зерная электронно-лучевая трубка, основанная на лазере с продольной накачкой, является наиболее перспективным активным дисплеем. Преимущество накачки электронным пучком над инжекционной накачкой связано с отсутствием необходимости создания высокой проводимости р- и л-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 в лазерах на основе монокристаллов и неприемлемо высокие используемые энергии электронов не позволяли перейти к их коммерческому освоению. В связи с этим работа, посвященная улучшению характеристик этих лазеров, представляется актуальной.
Целью работы является создание полупроводниковых лазеров с продольной накачкой электронным пучком и лазерных электронно-лучевых трубок (ЛЭЛТ), работающих при комнатной температуре, освоение новых спектральных диапазонов в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, уменьшение порога генерации и увеличение КПД лазера, снижение энергии электронов накачки, разработка новой активной среды, основанной на квантоворазмерных ге-тероструктурах.
В ходе работы решались следующие основные задачи:
развитие теории работы лазера с активной средой в виде периодической гете-роструктуры, помещенной в микрорезонатор;
обоснование условий, при которых квантоворазмерная гетероструктура обеспечивает достижение генерации при комнатной температуре с высоким КПД;
детальный расчет температурных распределений в активной области лазера;
решение ряда технических и технологических проблем реализации требуемых параметров квантоворазмерных гетероструктур, излучающих в красной, зеленой и синей областях спектра;
исследование гетероструктур с разрывами зон П-ого типа и гетероструктур с гексагональной кристаллической решеткой в качестве активной среды лазера;
реализация генерации в УФ области спектра с высоким КПД при комнатной температуре.
Научная новизна работы состоит в том, что в лазерной физике развито новое научное направление - полупроводниковые лазеры на основе квантовораз-
мерных гетероструктур с продольной накачкой электронным пучком.
Развита теория генерации вынужденного излучения в периодических гетерост-руктурах, помещенных в микрорезонатор.
Обнаружен и теоретически исследован эффект фотонного кристалла, обусловленный периодическим изменением показателя преломления гетероструктуры, на спектральные и пороговые характеристики лазера.
Впервые выполнен детальный расчет температурных распределений в активном элементе лазера.
Рассчитана эффективность транспорта неравновесных носителей из барьерных слоев в слои квантовых ям, подтвержденная экспериментальными данными.
Теоретически обосновано и экспериментально доказано существенное преимущество квантоворазмерных гетероструктур перед монокристаллами при работе лазера при комнатной температуре.
Впервые реализована генерация на ряде квантоворазмерных гетероструктур, излучающей в зеленой, синей и ультрафиолетовой областях спектра, в том числе на гетероструктуре П-ого типа и гетероструктуре с гексагональной кристаллической решеткой, выполненных из соединений А2В6.
Проведено детальное исследование диаграммы направленности лазеров с микрорезонатором при различных режимах возбуждения электронным пучком. Предложена модель, объясняющая все наблюдающиеся особенности диаграммы направленности.
Впервые реализована генерация с внешним зеркалом обратной связи на основной поперечной моде резонатора с расходимостью, определяемой дифракционным пределом.
Практическая ценность работы состоит в том, что в ней предложены и реализованы различные варианты достижения генерации в красной, зеленой, синей и ультрафиолетовой областях спектра. Рассчитаны и определены основные требования к квантоворазмерным гетероструктурам для достижения низкого порога и высокого КПД генерации при комнатной температуре. Выявлены основные технологические проблемы использования гетероструктур соединений А2В6.
Полученные результаты используются в научных исследованиях, проводимых Учреждением Российской академии наук Физическим институтом им.
П.Н. Лебедева РАН, Учреждением Российской академии наук Институтом радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Учреждением Российской академии наук Научным центром волоконной оптики РАН. Они стимулировали разработку лазеров для дисплеев и фотолитографии в американской компании Principia Light Works Inc., которая вложила в развитие данного направления несколько миллионов долларов, в том числе частично финансировала исследование полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Были получены несколько российских и американских патентов по результатам проведенных исследований. Интерес к данной работе проявили компании Sony, Ushio, Samsung, Thomson и другие. Для компаний Samsung и Thomson по контрактам были изготовлены установки для исследования полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком. Полученные результаты представляют ценность также для разработчиков лазеров с оптической накачкой и лазерных диодов на основе изученных материалов. Результаты работы являются основой для постановки опытно-конструкторской работы по созданию отпаянных приборов для последующего промышленного освоения нового поколения квантоскопов на Федеральном государственном унитарном предприятии НИИ «Платан» с заводом при НИИ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Потенциальное преимущество квантоворазмерной гетероструктуры перед монокристаллической активной областью достигается лишь при малом числе квантовых ям (КЯ), когда ширина барьерных слоев становится сравнимой с длиной волны генерируемого излучения в структуре. Реализация этого преимущества требует тщательного согласования длины волны моды резонатора, положения КЯ в резонаторе и спектрального максимума оптического усиления.
-
Периодические гетероструктуры, используемые в лазере, обладают свойствами фотонного кристалла и существенно изменяют модовый состав микрорезонатора. Предложенный теоретический подход позволяет вычислить связанные с этим эффектом изменения в пороге генерации. Порог генерации уменьшается при введении в фотонный кристалл «дефектных слоев», определенной толщины.
-
Предложенный метод расчета эффективности транспорта неравновесных носителей из барьерных слоев в КЯ. Необходимость согласования ширины барьерных слоев с длиной диффузии носителей в этих слоях.
-
Оптическое усиление зависит от эффективности локализации неравновесных носителей и степени перекрытия волновых функций электрона и дырки в КЯ. Это предъявляет определенные требования к энергетической диаграмме ге-тероструктуры. Коэффициент оптического усиления в гетероструктуре П-ого типа составляет менее 10 % от коэффициента усиления в гетероструктуре I типа с полным перекрытием волновых функций электрона и дырки в КЯ при одинаковой плотности неравновесных носителей.
-
Расчеты температурных распределений в активном элементе лазера и их экспериментальное подтверждение. Необходимость различать адиабатический, средний и фоновый нагрев точки активного элемента лазера в момент прихода в нее электронного пучка. Адиабатический нагрев приводит к температурному градиенту поперек оси резонатора. На фоновый нагрев влияет не только эффективность охлаждения, но и режим сканирования активного элемента. Фоновый и адиабатический нагрев по-разному влияют на характеристики лазера.
-
Особенности диаграммы направленности лазера при работе в непрерывном режиме в точке определяются возникновением тепловой линзы, в режиме медленного сканирования - тепловым клином и в режиме быстрого сканирования - образованием неустойчивого резонатора из-за возникновения рассеивающей линзы, связанной с поперечным профилем показателя преломления, определяемым распределением плотности тока в электронном пучке.
-
Экспериментальное достижение низкого порога генерации (менее 8 А/см ) и высокого КПД лазера (выше 10 %) в красной области спектра (630-660 нм) при использовании квантоворазмерной гетероструктуры GalnP/AlGalnP, выращенной методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ПФЭМОС). Достижение генерации с высоким КПД при использовании монолитной гетероструктуры с активной областью и двумя брэгговскими зеркалами. Эффективный транспорт достигается при ширинах барьерных слоев до 0.4 мкм.
-
Получение генерации на основной поперечной моде в резонаторе с внешним
зеркалом обратной связи. Достижение мощности более 4 Вт на длине волны 640 нм при энергии электронов 40 кэВ.
-
Температурная нестабильность и деградация гетероструктур ZnCdSe/ZnSSe обусловлена повышенной диффузией атомов Cd и Zn через гетерограницы в присутствии структурных дефектов, которые в свою очередь генерируются при релаксации внутренних напряжений. Использование изначально неоднородных, релаксированных КЯ повышает стабильность гетероструктуры в целом. На таких гетероструктурах достигается мощность генерации 4 Вт с КПД 4 % на длине волны 535 нм.
-
Достижение генерации с мощностью 2 Вт на длине волны 548 нм при использовании квантоворазмерной гетероструктуре CdSSe/CdS, выращенной на гексагональной подложке CdS. Более высокая стабильность излучения данной гетероструктуры при возбуждении электронным пучком по сравнению с гетероструктурой ZnCdSe/ZnSSe.
-
Получение генерации на гетероструктуре ZnCdS/ZnSSe П-ого типа с малыми внутренними напряжениями. Достижение мощности 2 Вт в сине-зеленой области спектра (478 нм).
-
Одна из проблем достижения генерации на квантоворазмерной гетероструктуре ZnSe/ZnMgSSe в синем диапазоне спектра с высоким КПД заключается в распаде материала барьерных слоев ZnMgSSe на несколько кристаллических фаз, что ухудшает транспорт носителей из барьерных слоев в слои КЯ. Второй проблемой является неоднородное уширение линии излучения КЯ, обусловленное взаимной диффузией атомов Zn и Mg через гетеропереходы при повышенной температуре роста (450-460 С) методом ПФЭМОС. Достижение высокого КПД лазера, до 10 % на длине волны 464 нм, при оптимизации ростовых условий и добавлении Cd с концентрацией в несколько процентов в слои КЯ.
-
Получение генерации в ультрафиолетовой области спектра (365-395 нм) с использованием пленок и гетероструктур соединений А2В6. Достижение мощности генерации выше 2.5 Вт при КПД до 3 % в лазере на основе квантоворазмерной гетероструктуры ZnSSe/ZnMgSSe, выращенной на подложках GaP.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на междуна-
родных и национальных конференциях: LEOS summer topical meetings, 1995, Keystone, Colorado, USA; 1-ое Раб. сов. «Нитрид галлия - структуры и приборы», 1997, Москва; 8-, 10-, 11- и 12-th Eur. Workshops on MOVPE, 1999, Prague, Czech Republik; 2003, Lecce, Italy; 2005, Lausanne, Switzerland; 2007, Bratislava, Slovakia; 11-th Eur. Workshop on MBE, 2007, Hinterzarten, Germany; 9-, 11-, 13-, 15-, 16- и 17-th Int. Symp.: Nanostructures: Physics and Technology, 2001, 2003 и 2005, St.Petersburg; 2007, Novosibirsk; 2008, Vladivostok; 2009, Minsk; 3-d Int. Conf. on Physics of low-dimensional structures, 2001, Chernogolovka, Russia; VIII и IX Межд. школы-семинары по Люмин. и лазерной физике, 2002 и 2004, Иркутск; 4-, 5-, 6- и 7-ой Белорус.-Российский сем.: Полупров. лазеры и системы на их основе, 2002, 2005, 2007 и 2009, Минск, Беларусь; 15-th Int. Conf. on Indium Phosphide and Related Materials, 2003, Santa Barbara, USA; 12- и 15-th Int. Symp. Advanced Display Technologies, 2003, Korolev, и 2006, Moscow, Russia; 7 - 14-th Int. Conf. on II-VI Compounds, 1995, Edingburg, UK; 1997, Grenoble, France; 1999, Kioto, Japan; 2001, Bremen, Germany; 2005, Warsaw, Poland; 2007, Jeju, Korea; 2009, St.Petersburg, Russia; 7-th Int. Workshop on Beam Injection Assessment of Mi-crostructures in Semiconductors, 2003, Lille, France; 4-th Int. Conf. on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures, St. Petersburg, Russia; CLEO-2005, San Jose, USA; XII Нац. конф. по росту крист., 2006, Москва; Симп. по когерентному оптич. излучению полупров. соединений и структур, 2007 и 2009, Звенигород; 4-nd Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2008), Alushta, Ukraine; Int. Conf. "Laser Optics 2008", St.Petersburg, Russia; доклад на Ученом совете ФИАН, 2007.
Публикации. Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание работы, содержит 82 печатных работы, в том числе 56 научных статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 21 работу в сборниках статей и трудах конференций и 5 патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 300 страниц, включая 176 рисунков, 4 таблиц и список литературы из 248 наименований.
