Управління розподілом носіїв заряду в багатошарових квантоворозмірних гетероструктурах і динаміка лазерів на їх основі

Размещено на http://allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В. Н. Каразіна

УДК 621.373.826

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

УПРАВЛІННЯ РОЗПОДІЛОМ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В БАГАТОШАРОВИХ КВАНТОВОРОЗМІРНИХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ І ДИНАМІКА ЛАЗЕРІВ НА ЇХ ОСНОВІ

Спеціальність 01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Сафонов Іван Михайлович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, професор Сухоіванов Ігор Олександрович, професор кафедри фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук, професор Милославський Володимир Костянтинович, професор кафедри Фізичної оптики Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

кандидат фізико-математичних наук, Ніколаєв Сергій Вікторович, старший науковий співробітник Інституту радіофізики і електроніки імені О. Я. Усікова НАН України

Захист відбудеться «_11__» _грудня__2009_ року о _16_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К. Д. Сінельникова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розіслано «_10__» __листопада____2009_ р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. П. Пойда

 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Низку корисних з точки зору застосування в лазерній техніці властивостей та відносну простоту технологічної реалізації мають багатошарові квантоворозмірні структури, тому вони широко застосовуються в якості активного середовища оптичних приладів нового покоління: лазерів, оптичних перемикачів, фотодетекторів тощо. Компактні прилади на основі таких структур мають високий ККД, низький поріг вмикання, високу надійність, можуть працювати як при низькій, так и при кімнатній температурі, перекривають широкий спектральний діапазон від терагерцового до ультрафіолетового.

Змінюючи товщину, кількість і хімічний склад шарів гетероструктури та області, що прилягає, можна виготовити активні середовища різноманітних лазерних та підсилюючих приладів з унікальними властивостями: надшироким спектром підсилення, що може використовуватися для регенерації імпульсів в волоконно-оптичних лініях зв'язку та для генерації ультракоротких імпульсів, із заданим положенням та формою спектрів підсилення/поглинання, з високими динамічними показниками. Всебічне дослідження властивостей багатошарових гетероструктур є однією з актуальних задач оптоелектроніки, оптики, лазерної фізики.

Рівень розвитку теоретичного знань і методів дослідження в галузі оптики, лазерної фізики квантоворозмірних структур є досить високим. Це дозволяє ефективно використовувати комп'ютерне моделювання для розробки нових напівпровідникових нанорозмірних структур. Розробка дорогих промислових технологій виробництва гетероструктур потребує проведення попередніх теоретичних досліджень. Результати, що одержано в ході експериментальних досліджень, вказують на високий потенціал для розвитку в цьому напрямку [1,2]. Однак на час початку виконання цієї роботи низка важливих питань фізики багатошарових гетероструктур була вивчена ще недостатньо. До них, зокрема, відносяться питання розробки загальної методології управляння процесами переносу носіїв заряду за рахунок зміни потенціального профілю структур. Ще не в повній мірі досліджені можливості управління спектрами підсилення, а також управління динамікою оптичних та електричних процесів в багатошарових гетероструктурах.

Отже, теоретичний опис впливу хімічного складу та геометричних параметрів активної області напівпровідникових лазерів на процеси переносу носіїв заряду та динамічні властивості лазерів є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертація виконана на кафедрі Фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки. Результати, що одержані в роботі, використані в ході виконання держбюджетних науково-дослідних робіт № держреєстрації 0100U003413 «Дослідження методів побудування оптоелектронних засобів на базі лазерів для дистанційно-роз'єднаних високо інтегрованих інформаційно-вимірювальних систем», № держреєстрації 0102U001436 «Дослідження фізичних процесів генерації, посилення і перетворення випромінювання в квантових (лазерах), оптоелектронних та електронних приладах, а також розробка концепції їх застосування в радіоелектронних системах і комунікаційно-інформаційних технологіях», № держреєстрації 0105U002992 «Взаємодія когерентного оптичного електромагнітного випромінювання з матеріалами активних та пасивних середовищ та елементна база повністю оптичних систем», № держреєстрації 0108U002217 «Фізичні основи формування частотних характеристик напівпровідникових та чип лазерів для нанотехнології». Ряд результатів одержано в рамках міжнародного співробіництва ХНУРЕ з університетами Ямагата (Японія), Ульм (Німеччина), Гуанахуато (Мексика).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичний опис процесів переносу носіїв заряду при модифікації геометричних параметрів і хімічного складу шарів активної області та області обмеження і фізичне обґрунтування цілеспрямованого покращення динамічних властивостей напівпровідникових лазерів з квантоворозмірною активною областю.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

1. Розробити модель для знаходження просторово-енергетичного розподілу носіїв заряду в багатошарових квантоворозмірних гетероструктурах. Розв'язання задачі є необхідним для дослідження процесів квантового переносу.

2. Дослідити можливості управління швидкістю процесів переносу носіїв заряду (захват, тепловий викид, тунелювання тощо). Дослідити перенос носіїв в структурах без розриву країв зон. Розв'язання задачі є основою для моделювання динамічної поведінки лазерів.

3. Розробити методологію модифікації потенціального профілю активної області та області обмеження з метою прискорення процесів переносу;

4. Дослідити вихідні характеристики: динамічні та модуляційні властивості напівпровідниковіх лазерів з багатошаровою активною областю.

Об'єктом дослідження є напівпровідниковий лазер з багатошаровою активною областю.

Предметом дослідження є динамічні процеси, процеси переносу носіїв заряду в напівпровідникових лазерах.

Методи дослідження. Для обчислення параметрів матеріалів використано закон Вегарда та інтерполяційні моделі вищих порядків. Перенос носіїв заряду розглядається в одно електронному наближенні із застосуванням “золотого правила Фермі”. Матричні елементи процесів розсіювання в квантовій ямі пропорційні інтегралу перекриття огинаючих хвильових функцій частинок, що взаємодіють. Для обчислення хвильових функцій та спектру енергетичних станів використано метод ефективної маси разом із рівнянням Бена Даніеля-Дюка, що є формулюванням рівняння Шрьодінгера для квантоворозмірних напівпровідникових гетероструктур в однозонному наближенні. Для того, щоб прийняти до уваги ефекти екранування, рівняння Бена Даніеля-Дюка розв'язувалися разом із рівнянням Пуассона. Таким чином було обчислено такі параметри процесів переносу як час захвату, викиду, тунелювання, що є вхідними параметрами для моделювання динамічної поведінки лазера. Динамічна модель сформульована у вигляді системи швидкісних рівнянь, що включають всі основні механізми переносу носіїв.

Дослідження базується на математичному моделюванні. При моделюванні використано такі методи: метод кінцевих елементів, метод матриць переносу, перетворення Фур'є, метод Рунге-Кутта 4-го порядку із адаптивним вибором кроку, метод трапецій для обчислення визначених інтегралів. Результати моделювання підтверджено експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті виконання дисертаційної роботи одержано такі нові результати щодо теоретичного опису процесів в багатошарових квантоворозмірних гетероструктурах і лазерах на їх основі:

1. Систематизовано й покращено методи управління просторово-енергетичним розподілом зарядів шляхом зміни геометричних параметрів і хімічного складу багатошарових квантоворозмірних гетероструктур:

· Вперше показано, що зміна товщини бар'єрних областей і зміна порядку квантових ям дає можливість змінювати швидкість захвату носіїв заряду в три-чотири рази.

· Вперше запропоновано використовувати додаткові вузькозонні та широкозонні шари в області обмеження для ефективної локалізації носіїв заряду в області захвату.

· Вперше запропоновано застосування тунельно-зв'язаних квантових ям активної області напівпровідникових лазерів з оптичним накачуванням для водночас ефективного накачування та лазерної генерації.

2. Одержала подальший розвиток теорія структур без розриву країв зон:

· Вперше розглянуто структури без розриву зон зі скінченою кількістю шарів;

· Досліджено спектри пропускання надґраток без розриву країв зон; проведено порівняння зі звичайними надґратками.

3. Одержало подальший розвиток дослідження модуляційних характеристик напівпровідникових лазерів. Запропоновано використовувати моделі з частотою модуляції, що неперервно зростає, для обчислення модуляційних характеристик.

Практичне значення одержаних результатів. 1. Розроблено й апробовано алгоритм обчислення просторово-енергетичного розподілу носіїв з урахуванням впливу поля, зумовленого нерівномірним розподілом заряду в багатошарових квантоворозмірних гетероструктурах.

2. Запропонована методологія зміни геометричних параметрів і хімічного складу квантоворозмірних гетероструктур для підвищення ефективності захвату носіїв. Застосування даної методології дало можливість розробити низку гетероструктур на базі III-V напівпровідників, що відрізняються покращеними характеристиками: зниженим пороговим струмом, підвищеною вихідною потужністю та ККД.

3. На основі аналізу властивостей переносу в надґратках без розриву зон вперше запропоновано використання гетероструктур без розриву країв зон в якості дзеркал Брегга для лазерів з вертикальним резонатором, які забезпечують низькі електричні й оптичні втрати. Вперше запропоновано застосувати гетероструктури без розриву зон у якості інжектора квантово-каскадних лазерів.

4. Розроблено оригінальну методику обчислення модуляційних характеристик, яка має високу точність і швидкість. Це дало можливість скоротити час проведення обчислення в вісім-дев'ять разів.

5. Із застосуванням запропонованої оригінальної структури активної області GaAs напівпровідникового лазера з оптичним накачуванням вперше виготовлено лазери з рекордними показниками ККД (до 68% при кімнатній температурі) та вихідної потужності (понад 13 Вт).

6. На основі розробленої методики модифікації області обмеження для збільшення ефективності захвату електронів вперше на практиці реалізована структура лазера вертикального типу з накачуванням струмом і покращеними параметрами: збільшення максимальної потужності перевищило 5 %.

7. Удосконалена модель розрахунку модуляційних характеристик дала можливість скоротити час обчислення модуляційних характеристик в 4-8 разів при дотриманні високої точності обчислення і здійснювати моделювання як малосигнального режиму так і режиму великого сигналу, в тому числі й режиму перемодуляції.

Результати, які були одержані при дослідженні закономірностей просторово-енергетичного розподілу носіїв заряду і процесів квантового переносу можуть бути використані для розробки напівпровідникових лазерів з покращеними параметрами: більш високим ККД й швидкодією, зниженим пороговим струмом й підвищеною вихідною потужністю, а також для управління спектральними характеристиками гетероструктур для формування структур з надшироким спектром підсилення.

Результати, які одержані при моделюванні динамічної поведінки напівпровідникових лазерів і дослідженні модуляційних властивостей лазерів, дають можливість прогнозувати динамічні властивості лазерів з модуляцією струмом як в умовах малого, так і великого сигналів.

Результати дисертаційної роботи частково були використані при розробці програмного пакету моделювання характеристик напівпровідникових лазерів LaserCAD III, в навчальному та в науково-дослідному процесі на кафедрі Фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки МОН України.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати дисертації одержані особисто автором і проаналізовані ним разом з науковим керівником. Інші співавтори опублікованих праць брали участь у проведенні спільних досліджень, результати яких не використані у дисертації. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: розрахунок та оптимізація хімічного складу та геометричних параметрів активного середовища [3], обґрунтування наближень, розробка та реалізація моделі для самоузгодженого обчислення просторово-енергетичного розподілу носіїв в багатошарових гетероструктурах [4-6], обчислення коефіцієнтів міжпідзонного зв'язку [6, 15], обґрунтування використання апроксимації кусково-постійного потенціального профілю багатошарової гетероструктури [7], постановка задачі по розробці дзеркал на основі структур без розриву країв зон [8], обчислення складу пар матеріалів, що забезпечують відсутність розриву [9-12], аналіз області застосування апроксимації кусково-постійного потенціального профілю [12], оптимізація потенціального профілю для ефективного переносу носіїв заряду [13], розробка та реалізація моделі для обчислення модуляційних характеристик [14], розробка методики модифікації області обмеження для підвищення швидкості захвату носіїв заряду [15], адаптація обчислювальних модулів пакету LaserCAD III до web-орієнтованої версії [16].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорені на наукових семінарах кафедри Фізичних основ електронної техніки ХНУРЕ, на кафедрі Оптоелектроніки університету м. Ульм, Німеччина, в Інституті телекомунікацій, Варшава, Польща, а також були представлені на таких конференціях: 5-й міжнародний молодіжний форум ''Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке'' - Харків, Україна, 2001; 6-й міжнародний молодіжний форум ''Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке'' - Харків, Україна, 2002; 7-й міжнародний молодіжний форум ''Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке'' - Харків, Україна, 2003; Конференція ''The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics Conference (CADSM'03)'' - Славське, Україна, 2003 (премія за найкращу доповідь); 10-а міжнародна конференція ''Mixed Design of Integrated Circuits and Systems (MIXDES'03)'' - Лодзь, Польща, 2003; міжнародна конференція ''IEEE/LEOS Numerical Simulation of Semiconductor Optoelectronic Devices (NUSOD'03)'' - Токіо, Японія, 2003; міжнародний семінар ''Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'03)'' - Алушта, Крим, Україна, 2003 (представлено 2 роботи); міжнародна конференція ''Unified information space'' - Дніпропетровськ, Україна, 2003; міжнародний симпозіум ''Signals, Systems, and Electronics (ISSSE'04)'' - Лінц, Австрія, 2004; 5-а міжнародна научно-технічна конференція ''Quantum Electronics (QE'04)'' - Мінськ, Біларусь, 2004 (запрошена доповідь); 5-а міжнародна конференція ''Low Dimensional Structures and Devices (LDSD'04)'' - Канкун, Мексика, 2004; конференція ''Education and Virtual Reality'' - Харків-Ялта, Україна, 2004; конференція ''European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference (CLEO®/Europe-IQEC'05)'' - Мюнхен, Німеччина, 2005; 7-а міжнародна конференція ''Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'05)'' - Ялта, Крим, Україна, 2005; міжнародна конференція ''Numerical Simulation of Semiconductor Optoelectronic Devices (NUSOD'05)'' - Берлін, Німеччина, 2005; симпозіум ''Photonics Europe'', конференція ''Semiconductor Lasers and Laser Dynamics II'' - Страсбург, Франція, 2006; 8-а міжнародна конференція ''Transparent Optical Networks (ICTON'06)'' - Ноттінгем, Велика Британія, 2006 (запрошена доповідь); міжнародна конференція ''Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'06)'' - Харків, Україна, 2006 (представлено 3 роботи); конференція ''Frontiers in Optics, Laser Science, Optical Fabrication and Testing and Organic Photonics and Electronics'' - Рочестер, США, 2006; міжнародна молодіжна конференція ''Optics and High Technology Material Science (SPO'06)'' - Київ, Україна, 2006; міжнародний семінар ''PHysics and Applications of SEmiconductor LASERs (PHASE'06)'' - Супєлєк, Метц, Франція, 2007; міжнародний семінар ''Optoelectronic Physics and Technology (OPT'07)'' - Харків, Україна, 2007 (представлено 2 роботи); конференція молодих учених ''Radiophysics and Electronics (YSC'07)'' - Харків, Україна, 2007.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опублікована 41 праця. З них 10 статей [3-12], 1 патент на винахід [13], 30 тез доповідей на міжнародних та вітчизняних конференціях, симпозіумах і семінарах [14-45].

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел, двох додатків. Повний обсяг роботи становить 159 сторінок й містить 47 рисунків, і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації і дана оцінка сучасного стану проблеми на час початку проведення досліджень, сформульовано мету і завдання роботи, наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, подано інформацію про особистий внесок автора, відомості про апробацію роботи, про публікації і структуру дисертації.

Розділ 1 ''Огляд літератури й вибір напрямку досліджень'' присвячений огляду літератури за темою дисертації і аналізу досягнутого рівня фізики багатошарових напівпровідникових квантоворозмірних середовищ та лазерів на їх основі. Відзначено задачі, що розкриті ще недостатньо і потребують проведення подальших досліджень.

Розділ 2 ''Управління просторово-енергетичними характеристиками багатошарової квантоворозмірної області напівпровідникового лазеру'' присвячений обґрунтуванню й опису моделі для розрахунку просторово-енергетичного розподілу носіїв заряду в III-V напівпровідникових гетероструктурах, аналізу впливу різних методів модифікації активного середовища та області обмеження на швидкість протікання процесів переносу носіїв заряду. Із застосуванням досліджених закономірностей впливу на швидкість процесів запропоновано низку лазерних структур з оптичним та електричним накачуванням, які на практиці проявили покращенні показники ККД, порогу накачування, вихідної потужності. квантовий напівпровідниковий лазер

У першому підрозділі ''Обчислення потенціального профілю та просторово-енергетичного розподілу носіїв довільних багатошарових квантоворозмірних гетероструктур'' другого розділу описана ітераційна процедура самоузгодженого розв'язання системи рівнянь Шрьодінгера та Пуассона. Таким чином встановлюється просторово-енергетичний розподіл носіїв заряду та потенціальний профіль у багатошарових квантоворозмірних гетероструктурах з урахуванням впливу нерівномірного розподілу заряд на потенціальний профіль структури.

Для обчислення параметрів матеріалів, що входять до системи рівнянь Шрьодінгера-Пуассона та допоміжних рівнянь: зонних параметрів, ефективної маси, показника заломлення тощо застосовано ряд підходів із застосуванням закону Вегарда [45, 47], інтерполяційних формул другого-третього порядку [47-49] та напіваналітичних формул [50].

У другому підрозділі ''Модифікація активної області НПЛ з метою підвищення швидкості переносу носіїв'' другого розділу проаналізовано вплив нерівномірного розподілу носіїв, на потенціальний профіль гетероструктури та швидкість процесів переносу. Показано, що для симетричних структур вплив незначний, проте для асиметричних структур з товщиною шарів понад 4-6 нм нерівномірність може приводити до істотного впливу на швидкість процесів тунелювання та захвату, особливо для дірок, і тому застосування моделей й кусково-постійним потенціальним профілем може призводити до великої похибки.

Розглянуто такі шляхи зміни потенціального профілю структур із декількома квантовими ямами як: зміна порядку розташування квантових ям, зміна товщини бар'єру, застосування додаткових ям та бар'єрів в області обмеження.

Показано, що залишаючи незмінним положення рівнів розмірного квантування, для яких носії локалізовані в ямах, за допомогою вищеозначених методів можна суттєво змінити швидкість процесу захвату носіїв із області обмеження в квантові ями. При зміні порядку розташування ям, та зміні товщини бар'єру вдається досягнути підвищення коефіцієнтів міжпідзонного зв'язку, що визначають швидкість процесу захвату, до двох-трьох разів, а запропонований метод включення додаткових шарів в області обмеження до 10-11 разів.

У третьому підрозділі ''Напівпровідниковий лазер вертикального типу з оптичним накачуванням і тунельно-зв'язаними кантовими ямами та зовнішнім резонатором'' другого розділу на базі виявлених закономірностей впливу на швидкість процесів переносу запропоновано низку структур, що забезпечують водночас ефективне поглинання оптичного накачування, тунельний перенос принаймні на порядок швидший за Оже-рекомбінацію до робочих квантових ям та ефективну взаємодію носіїв в квантових ямах з полем, що генерується.

Запропоновані лазерні структури продемонстрували рекордні значення ККД - понад 60%, при цьому вихідна потужність досягла 13,2 Вт при кімнатній температурі. В роботі також наведено рекомендації щодо подальшої оптимізації активної області із застосуванням асиметричних структур.

У четвертому підрозділі ''Лазер з вертикальним резонатором з накачуванням струмом та модифікованою областю обмеження'' другого розділу, використовуючи розроблену методику модифікації області обмеження запропоновано змінити область обмеження GaAs/AlGaAs лазера с трьома квантовими ямами, а саме: зменшити протяжність шарів, що обмежують, та вбудувати додаткову квантову яму, що не бере участі у лазерній генерації, але забезпечує ефективний захват носіїв та їх подальше тунелювання у робочі ями.

Відображено зміст зроблених модифікацій та їхній вплив на власні стани структури. У модифікованій структурі носії в області обмеження локалізовані над додатковою ямою, що забезпечує ефективний захват електронів. Експериментальне порівняння даних структур показало зниження порогового струму та підвищення вихідної потужності модифікованої структури до 5 %.

Розділ 3 ''Гетероструктури без розриву країв зон'' присвячений дослідженню особливого класу гетероструктур - структур, в яких задіяні матеріали, різні за складом та властивостями, але з однаковим положенням краю зони провідності, або валентної зони. З умов рівності положення країв зон та сталої решітки знайдено пари двох-, трьох- та чотирьохкомпонентних матеріалів на базі Ga, Al, In, As, Sb, P, що утворюють структури без розриву зон, в тому числі було знайдено структури узгоджені за сталою решітки з типовими підкладками з GaAs та InP.

У першому підрозділі ''Перенос електронів в надґратках без розриву країв зони'' в межах одноелектронного наближення й наближення параболічних зон досліджено перенос електронів як у скінчених, так і в нескінченних надґратках без розриву країв зон. Досліджено спектри пропускання надґраток і показана принципова різниця спектрів звичайних надґраток та ґраток без розриву країв зон.

У другому підрозділі ''Інжектор квантово-каскадного лазера на основі надґратки без розриву зон'' третього розділу запропоновано використати надґратки без розриву зон у якості інжектора квантово-каскадного лазера. Застосування структур без розриву зон дає можливість знизити втрати, зумовлені розсіюванням на гетерограницях, а також сформувати структури, подібні до дзеркал Брегга для електронів, тобто таких, що мають у своєму спектрі пропускання зони пропускання, та заборонені зони, що необхідно для утворення інверсії населеності.

Проведено порівняння стандартного інжектора на основі InGaAs/AlInAs та модифікованого. Аналіз впливу зміщення на коефіцієнт пропускання інжектора встановив. що запропонована структура показала підвищену стійкість до шумів струму накачування. Недоліком запропонованої структури є порівняно низьке запирання носіїв у забороненій зоні. Цю проблему можна вирішити застосовуючи матеріали з більшим контрастом ефективних мас електронів, використовуючи комбіновані структури, що мають як звичайні квантові ями, так і гетеропереходи без розриву зон, або збільшуючи кількість шарів інжектора. Вивчено спектри пропускання звичайного інжектора та інжекторів без розриву зон з різною кількістю шарів.

У третьому підрозділі ''Застосування в якості струмопровідних Бреггівських відбивачів'' третього розділу запропоновано використання гетероструктур без розриву країв зон у якості дзеркал, що проводять струм, для напівпровідникових лазерів вертикального типу. Такі дзеркала завдяки відсутності розриву країв зон мають мале значення електричного опору і не потребують додаткових засобів для його зниження, таких як великий рівень легування, застосування, градієнтний профіль, надґратки замість широкозонного матеріалу, тому запропоновані гетероструктури поряд з низьким електричним опором мають малі оптичні втрати.

Розділ 4 ''Динамічні властивості напівпровідникових лазерів'' присвячений моделюванню вихідних характеристик напівпровідникових лазерів і дослідженню впливу на них швидкості захвату носіїв заряду.

У першому підрозділі ''Обчислення модуляційних характеристик'' четвертого розділу проаналізовано методи розрахунку модуляційних характеристик та запропоновано новий метод, що відрізняється високою точністю та обчислювальною швидкістю і можливістю здійснювати модуляцію в режимі великого сигналу.

Висока швидкість обчислення досягнута завдяки тому, що частота при розв'язанні швидкісних рівнянь змінюється поступово, а не ступінчасто, при цьому для того щоб одержати модуляційну характеристику достатньо розрахувати лише одну динамічну характеристику - відгук на складний сигнал з частотою, що зростає, або зменшується. Обчислення динамічної характеристики і при зростанні, і при зменшенні частоті з подальшим знаходженням середнього значення дозволяє суттєво скоротити кількість обчислюваних точок та підвищити точність методу. Приклад такої динамічної характеристики, розрахованої в розробленому пакеті LaserCAD III. На вставці показано відповідну модуляційну характеристику, одержану з динамічної характеристики.

У другому підрозділі ''Пакет моделювання напівпровідникових КРС-лазерів LaserCAD III'' четвертого розділу присвячений опису пакету, до складу якого увійшли моделі, розроблені в ході виконання дисертаційної роботи. Проведено опис загальної структури програмного пакету, його можливостей, наведено обґрунтування вибору мови програмування, що забезпечив платформонезалежність пакету. Пакет відрізняється високою швидкістю обчислення і гнучкістю у подальшому розширенні, дозволяє проводити моделювання лазерів з багатошаровою активною областю, тому може успішно використовуватися як для проведення наукових досліджень, так і в навчальному процесі, при підготовці віртуальних лабораторних робіт.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язана актуальна наукова задача: проведено теоретичний опис процесів переносу носіїв заряду при модифікації геометричних параметрів і хімічного складу шарів активної області та області обмеження. На основі аналізу результатів дослідження процесів переносу носіїв заряду та динамічних процесів в лазерах з багатошаровою квантоворозмірною активною областю здійснено фізичне обґрунтування цілеспрямованого покращення динамічних властивостей напівпровідникових лазерів з квантоворозмірною активною областю.

Одержано такі основні наукові та практичні результати:

1. Розроблена лінійно-інтерполяційна модель, та моделі вищих порядків для розрахунку параметрів багатокомпонентних напівпровідникових твердих розчинів.

2. На основі проведеного аналізу й обґрунтування наближень розроблена ітераційна модель для обчислення просторово-енергетичного розподілу носіїв заряду. Це дало можливість дослідити область застосування кусочно-постійної апроксимації потенціального профілю та показати, що для асиметричних структур можливість застосування кусочно-постійної апроксимації визначається складом, товщиною шарів, концентрацією носіїв заряду, температурою й тим, які процеси необхідно дослідити.

3. Показано, що при дослідженні процесів тунелювання наближення кусочно-постійного профілю може ставати некоректним для електронів при товщині шарів від 8-10 нм, а для дірок - вид 3-4 нм. Також було показано, що локальні екстремуми потенціального профілю істотно не впливають на взаємне положення рівнів електронів та дірок, що локалізовані.

4. На основі розроблених моделей запропонована методика оптимізації геометричних параметрів і хімічного складу багатошарової квантово розмірної області напівпровідникових лазерів, які забезпечують ефективний перенос носіїв заряду. Це приводить до покращення таких вихідних параметрів лазерів як: порогів струм, ККД, максимальна потужність, ширина смуги модуляції при модуляції струмом.

5. Вперше показано, що зміна порядку розташування бар'єрних шарів може призводити до зміни швидкості захвату носіїв заряду у 3-5 разів; вперше проаналізовано вплив додаткових квантових ям і бар'єрів в області обмеження й запропоновано їхнє використання для ефективної локалізації носіїв в області квантових ям.

6. На основі розробленої методики управління процесами переносу носіїв заряду вперше запропоновано використання тунельно-зв'язаних квантових ям в якості активної області напівпровідникових лазерів з оптичним накачуванням; виготовлені з урахуванням вироблених рекомендацій структури показали рекордні значення ККД, що перевищують 60 %, й високі показники з потужності (вихідна потужність понад 13 Вт в неперервному режимі при кімнатній температурі).

7. Вперше запропонована структура з додатковою ямою в області обмеження заряду, що забезпечує кращу локалізацію електронів в області квантових ям; виготовлена структура продемонструвала покращені вихідні характеристики: нижчий пороговий струм, більшу вихідну потужність (покращення становило приблизно 5 %).

8. На основі розв'язаних в рамках лінійно-інтерполяційного підходу рівнянь, що визначають склад пар напівпровідників, які забезпечують відсутність розриву країв зон й узгодження за сталою решітки, було знайдено всі пари бінарних, потрійних та четверних сполук на основі Ga, Al, In, As, P, Sb. Одержала подальший розвиток теорія процесів переносу в таких структурах. Із застосуванням знайдених пар вперше досліджено спектри пропускання скінчених надґраток без розриву зон, розглянуто спектри пропускання в залежності від хвильового вектору електронів як для скінчених, так і нескінченних надґраток, показана принципова різниця спектрів пропускання решіток без розриву зон від звичайних надґраток.

9. Вперше запропоновано використання структур без розриву края зони якості дзеркал, що проводять струм для напівпровідникових лазерів з вертикальним резонатором. Для таких дзеркал очікуються водночас низькі електричні й оптичні втрати.

10. Вперше запропоновано використання структур без розриву країв зон в якості інжекторів для квантово-каскадних лазерів. Проведено дослідження впливу неідельності структури на її спектр пропускання. Показано, що такі інжектори мають бути менш чутливими до шумів струму накачування й можуть забезпечити необхідні для утворення інверсії населеності смуги пропускання та заборонені зони.

11. Із використанням динамічної моделі, що враховує взаємодію квантових ям, розроблено метод обчислення модуляційних характеристик, що відрізняється високим відношенням обчислювальної швидкості й точності, що скоротило час обчислення в 4-8 разів. Розроблені моделі знайшли використання у модулях пакету моделювання напівпровідникових лазерів LaserCAD III.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

3.LaserCAD III - на пути к комплексному моделированию квантоворазмерных лазеров [Текст] / А. В. Шулика, П. С. Иванов, И. М. Сафонов и А. В. Дёгтев, В. В. Лысак, А. В. Кублик, И. А. Сухоиванов // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2002. - Т. 3, №1. - С. 125-130.

4.Влияние аксиального приближения на плотность состояний квантоворазмерных структур [Текст] / М. В. Клименко, А. В. Шулика, И. М. Сафонов, И. А. Сухоиванов // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 143. - С. 101-106. Статтю перекладено на англ.: Influence of axial approximation upon the density of the states of quantum-dimensional structures [Текст] / M. V. Klimenko, A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Telecommunication and Radio Engineering, Begell House. - 2006. - Vol.65, № 13. - P. 1217-1226.

5.Вычисление спектров усиления полупроводниковой структуры с одиночной квантовой ямой [Текст] / М. В. Клименко, А. В. Шулика, И. М. Сафонов, И. А. Сухоиванов // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - Т. 32, №3. - C. 43_46.

6.Quantum capture area in layered quantum well structures [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Microelectronics Journ. - 2005. - Vol. 36, №3/6. - P. 350-355.

7.Carrier tunneling in complex asymmetrical multiple quantum well semiconductor optical amplifiers [Текст] / V. V. Lysak, I. A. Sukhoivanov, A. V. Shulika, I. M. Safonov, Y. T. Lee // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2006. - Vol. 18, №12. - P. 1362-1364.

8.Continuous-band heterostructures: novel concept for development of low-loss distributed Bragg reflectors for optoelectronic devices [Текст] / I. Safonov, O. Shulika, I. Sukhoivanov, J. Andrade-Lucio // Journal of Optoelectronics and Advanced materials - Rapid Communications. - 2007. - Vol. 1, no. 3.- pp. 96-99.

9.Effective-mass superlattice as an injector in quantum cascade lasers [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, O. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, R. Michalzik // Opt. Quantum Electron.- 2008.- Vol. 40, no. 2-4.- pp. 197-204.

10.Piecewise-constant approximation of the potential profile of multiple quantum well intrinsic heterostructures [Текст] / I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, O. V. Shulika, V. V. Lysak // Superlattices and Microstructures. - 2007. - Vol. 43, no. 2.- pp. 120_131.

11.Ballistic transport in semiconductor superlattices with non-zero in-plane wave vector [Текст] / M.V. Klymenko, I.M. Safonov, O.V. Shulika, I.A. Sukhoivanov // Phisica status solidi. (b) -2008. - Vol. 245. - no. 8. - pp 1598 - 1603.

12.Klymenko, M.V. Transmission spectra of ballistic electrons in conventional and effective-mass superlattices [Текст] / M.V. Klymenko, I.M. Safonov, I.A. Sukhoivanov // Superlattices and Microstructures. - 2009. - Vol. 45, pp. 489_495.

13.Laserverstдrkersystem: пат. 10 2007 029257 A1 Германия, пат. 2008/152041 A2 междунар., МКИ⁸: H01S 5/34(2006.1), H01S 5/04(2006.01), H01S 5/18(2006.01) / F. Demaria, F. Rinaldi, A. Giesen, U. Brauch, I. Safonov; Universitдt Ulm, Universitдt Stuttgart. - регистр. номер 10 2007 029 257.2; заявл. 15.06.2007; опубл. 18.12.2008.- 28с.- 8 ил.

14.Web-oriented interactive environment for distance education in study of semiconductor lasers [Текст] / I. N. Keleberda, A. V. Shulika, V. V. Sokol, I. M. Safonov, T. S. Sakalo, P. S. Ivanov, I. A. Sukhoivanov, N. S. Lesna // Proc. SPIE. - 2003. - Vol. 5484. - P. 651-567.

15.Safonov, I.M. Enhancement of electron capture efficiency in MQW structures [текст] I. M. Safonov, M. V. Klymenko, I. A. Sukhoivanov // Proc. of SPIE. - 2006. - Vol. 6184. - pp. 476-483.

16.Model for self-consistent analysis of arbitrary MQW structures [Текст] / I. M. Safonov, A. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov, V. V. Lysak // Proc. SPIE. - 2004. - Vol. 5594. - P. 33-44.

17.Сафонов, И. Сравнительный анализ модификаций метода Рунге-Кутта для решения дифференциальных уравнений первого порядка [Текст] / И. Сафонов, А. Пригода // Труды 5-го международного форума Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке, Харьков, Украина - 2001.- С. 162-163.

18.Сафонов, И. М. Вычисление фундаментальных параметров многокомпонентных полупроводниковых твёрдых растворов [Текст] / И. М. Сафонов, А. В. Шулика // Труды 7-го международного форума Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке, Харьков, Украина.- 2003.- С. 168.

19.Novel cross-platform laser simulator for quantum well lasers investigation [Текст] / A. Shulika, P. S. Ivanov, I. M. Safonov, A. V. Kublik, I. A. Sukhoivanov // Proc. of The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics Conference.- 2003.- pp. 175-178.

20.Advanced versatile software tool for comprehensive studying of quantum-well semiconductor lasers [Текст] / A. Shulika, I. M. Safonov, P. S. Ivanov, I. A. Sukhoivanov // Proc. of 10th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems.- 2003.- pp. 661-664.

21.LaserCAD III - web-oriented software tool for distance learning in study of semiconductor structure properties [Текст] / A. Shulika, I. M. Safonov, P. S. Ivanov, I. A. Sukhoivanov, and V. V. Lysak // Proc. of IEEE/LEOS International Conference on Numerical Simulation of Semiconductor Optoelectronic Devices.- 2003.- pp. 55_56.

22.Comprehensive simulation of MQW semiconductor lasers by using LaserCAD III [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, P. S. Ivanov et. al. // Proc. of International workshop Laser and Fiber-Optical Networks Modelling (LFNM'03).- 2003.- pp. 80-83.

23.Using java in engineering and scientific computations and in designing systems [Текст] / Y. Kuzemin, N. D. Minajlo, I. M. Safonov, A. V. Shulika // Proc. of International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'03).- 2003.- pp. 93-94.

24.Расширение функциональности курса дистанционного обучения на примере применения пакета прикладных программ LaserCAD III [Текст] / В. В. Сокол, С. Д. Маковецкий, И. М. Сафонов, А. В. Шулика, Н. С. Лесная, И. А. Сухоиванов // сборник докладов Международной научно-практической конференции «Единое информационное пространство».- 2003.- pp. 51-54.

25.Novel method for computation of frequency characteristics of semiconductor lasers [Электронный ресурс] / I. Safonov, A. Shulika, I. Sukhoivanov, A. Kublik, P. Ivanov // Proc. Of International Symposium on Signals, Systems, and Electronics. 2004. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

26.Safonov, I. Applicability of the piecewise-linear approximation of the potential profile of undoped MQW heterostructures [Текст] / I. Safonov, A. Shulika, I. Sukhoivanov // Proc. of 5^th International Scientific and Technical Conference Quantum Electronics.- 2004.- P. 108.

27.Shulika, A. V. Quantum capture area in layered quantum well Structures [Текст] / A. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Proc. Int. Conf. Low Dimensional Structures and Devices (LDSD 2004). - Cancun, 2004. - P. 141.

28.LaserCAD - novel educational CAD for semiconductor quantum well lasers studying [Текст] / I. Safonov, S. Petrov, A. Ovezgeldiev, S. Grishchenko // Proc. of the Conference on Education and Virtual Reality.- 2004.- pp. 369-373.

29.Safonov I., Modification of confinement area for efficient electrons capture in MQW SCH [Электронный ресурс] / I. Safonov, M. Klimenko, I. Sukhoivanov// Conference digest for CLEO/Europe - EQEC.- 2005. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

30.Safonov, I. M. Comprehensive modification of AMQW-SCH for the efficient electrons capture [Текст] / I. M. Safonov , О. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). - Yalta, 2005. - P. 16-22.

31.Klimenko, M. V. Band structure computation of asymmetric multiple quantum wells [Текст] / M. V. Klimenko, О. V. Shulika, I. M. Safonov // Int. Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM 2005). - Yalta, 2005. - P. 64-67.

32.Anisotropy of the valence subbands in quantum well structures: effect on density of states characteristic [Текст] / M. V. Klimenko, I. M. Safonov, О. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Int. Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD 2005). - Berlin, 2005. - P. 73-74.

33.Safonov, I. M., Enhancement of electron capture efficiency in MQW structures [Электронный ресурс] / I. M. Safonov, M. V. Klymenko, I. A. Sukhoivanov // Technical Abstract Summary Digest of Photonics Europe Symposium.- 2006. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

34.Continuous band heterostructures: a new concept for development of low-loss distributed Bragg reflectors for optoelectronic devices [Текст] / I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, O. V. Shulika, A.A. Dyomin, S.O. Yakushev, M.V. Klymenko, S.I. Petrov, V.V. Lysak // Proc of 8^th International Conference on Transparent Optical Networks, ICTON'2006, paper We.C2.2. - 2006.- Vol. 2.- pp. 193-198.

35.Revelation of couples of semiconductor materials without the band offsets and with the differing electron effective masses [Текст] / M. V. Klymenko, O. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Proc. of International workshop "Laser and Fiber-Optical Networks Modelling (LFNM'06)".- 2006.- pp. 414-417.

36.Band structure of the effective-mass superlattice [Текст] / M. V. Klymenko, O. V. Shulika, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov // Proc. of International workshop "Laser and Fiber-Optical Networks Modelling (LFNM'06)".- 2006.- pp. 411-414.

37.Ternary/quaternary continuous- band heterostructures [Текст] / I. M. Safonov, M. V. Klymenko, O. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Proc. of International workshop "Laser and Fiber-Optical Networks Modelling (LFNM'06)".- 2006.- pp. 399-402.

38.Novel approach for design of low-loss DBRs for VCSELs [Текст] / I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, J. Kratz, S. I. Petrov, M. V. Klimenko, O. V. Shulika // Proc. of Frontiers in Optics, Laser Science, Optical Fabrication and Testing and Organic Photonics and Electronics.- 2006.

39.LaserCAD III simulator [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, O. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Proc. of 7-th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science.- 2006.- P. 105.

40.Effective-mass superlattice [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, O. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Proc. of 7-th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science.- 2006.- P. 16.

41.Effective-mass superlattice as an injector in quantum cascade lasers [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, O. V. Shulika, I.A. Sukhoivanov, R. Michalzik // Tech. digest of the PHASE international workshop "PHysics and Applications of SEmiconductor LASERs".- 2007.- P. 31.

42.Impact of position-dependent effective mass on injector transmittivity in the quantum-cascade laser [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, O. V. Shulika, I. A. Sukhoivanov // Proc. of Workshop on Optoelectronic Physics and Technology.- 2007.- pp. 7-8.

43.Effective-mass superlattice as a ballistic transport element [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, I. A. Sukhoivanov, R. Michalzik // Proc. of Workshop on Optoelectronic Physics and Technology.- 2007.- pp. 7-8.

44.Klymenko, M. V. Education and simulation with LaserCAD III [Текст] / M. V. Klymenko, I. M. Safonov, O. V. Shulika // Proc. of Workshop on Optoelectronic Physics and Technology.- 2007.- pp. 32-33.

45.Optically-pumped VECSEL with tunnel-coupled quantum wells [Текст] / I. M. Safonov, F. Demaria, F. Rinaldi, V.V. Lysak, O.V. Shulika, U. Brauch, I.A. Sukhoivanov // Proc. of Kharkiv Young Scientist Conference on Radiophysics and Electronics.- 2007.- P. 99.

Список цитованої літератури

1.Carrier and light trapping in graded quantum-well laser structures [текст] / G. Aichmayr, M. D. Martнn, H. van der Meulen et al. // Applied Physics Letters.- Vol. 76, Issue 24, 2000.- pp. 3540-3542.

2.Direct Comparison of 1300 nm GaInNAs Lasers with GaAsN and GaAs Barriers [Электронный ресурс] / Y.Q. Wei, X.D. Wang, P. Modh et al. // Conference digest for CLEO/Europe 2005 _ EQEC 2005, Europhysics Conference Abstracts Vol. 29B, paper EA-917. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

46.Vegard, L.-Z. Gitterkonstanten von Mischkristallen [Текст] // Zeitschrift fьr Physik.- 1921.- Vol. 5.- pp. 17-26.

47.Denton, A. Vegard's law [Текст] / A. Denton, N. Ashcroft // Phys. Rev. A.- 1991.- Vol. 43, no. 6.- pp. 3161-3164.

48.Adachi S. Physical properties of III-V semiconductor compounds [Текст] / S. Adachi.- John Wiley & Sons, 1992.- 352 p.

49.Piprek J. Semiconductor optoelectronic devices [Текст] / J. Piprek.- Academic press, 2003.

50.Guden, M. Material parameters of quaternary III-V semiconductors for multilayer mirrors at 1.55 мm wavelength [Текст] / M. Guden, J. Piprek // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng.- 1996.- Vol. 4.- pp. 349-357.

АНОТАЦІЯ

Сафонов І. М. Управління розподілом носіїв заряду в багатошарових квантоворозмірних гетероструктурах і динаміка лазерів на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - Оптика, лазерна фізика. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2008.

У дисертаційній роботі проведено теоретичний опис процесів квантового переносу носіїв заряду в багатошарових структурах, що є активними середовищами напівпровідникових лазерів. Розглянуто як симетричні, так и асиметричні гетероструктури на базі багатокомпонентних напівпровідникових твердих розчинів, до складу яких входять Ga, In, Al, As, Sb, P.

Із застосуванням ітераційної моделі на основі рівнянь Шрьодінгера та Пуассона досліджено розподіл носіїв та потенціальний профіль асиметричних гетероструктур. Досліджено закономірності впливу потенціального профілю на швидкість процесів захвату та тунелювання, вироблено методологію модифікування активної області та області обмеження для інтенсифікації процесів квантового переносу. Запропоновано структури з модифікованою активною областю, що показали покращені параметри: рекордні або підвищені ККД та вихідна потужність, знижений пороговий струм.

Із застосуванням інтерполяційних моделей першого-другого порядку та напіваналітичних моделей обчислено параметри багатокомпонентних напівпровідникових розчинів, знайдено пари матеріалів, що не мають розриву країв зон, досліджено особливості процесів переносу носіїв в таких структурах, запропоновано й розглянуто їхнє використання в якості струмопровідних дзеркал, що забезпечують водночас низькі електричні та оптичні втрати, та інжекторів квантово каскадних лазерів, що забезпечують швидкий перенос електронів, знижені втрати та підвищену стійкість до шумів у напрузі джерела накачування.

На основі моделі швидкісних рівнянь досліджено динамічні процеси лазерів з багатошаровою квантоворозмірною активною областю, розроблено метод швидкого розрахунку модуляційних характеристик. Розроблені моделі увійшли до складу пакету моделювання напівпровідникових лазерів LaserCAD III.

Ключові слова - напівпровідниковий квантоворозмірний лазер, квантоворозмірна гетероструктура, квантовий перенос носіїв заряду, структура без розриву країв зон, динамічні процеси, модуляційна характеристика.

АННОТАЦИЯ

Сафонов И. М. Управление распределением носителей заряда в многослойных квантоворазмерных гетероструктурах и динамика лазеров на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков, 2008.

В диссертационной работе решена актуальная теоретическая задача лазерной физики: проведено теоретическое описание процессов квантового переноса носителей заряда в многослойных квантоворазмерных гетероструктурах, являющихся активной средой полупроводниковых лазеров, при модификации геометрических параметров и химического состава слоев активной области и слоев ограничения. Проведено физическое обоснование целенеправленного улучшения динамических свойств лазеров с квантоворазмерной активной областью. Рассмотрены как симметричные, так и асимметричные гетероструктуры на базе многокомпонентных полупроводниковых растворов, в состав которых входят Ga, In, Al, As, Sb, P.

С использованием итерационной модели на основе уравнений Шрёдингера и Пуассона исследовано распределение и потенциальный профиль асимметричных гетероструктур. Исследованы закономерности влияния потенциального профиля на скорость процессов захвата и туннелирования, разработана методология модификации активной области и области ограничения для интенсификации процессов квантового переноса. Показано, что при исследовании процессов туннелирования приближение кусочно-постоянного профиля может становиться некорректным для электронов при толщине слоёв от 8_10 нм, а для дырок - от 3_4 нм. Также было показано, что локальные экстремумы потенциального профиля не оказывают существенного влияния на положение локализованных состояний электронов и дырок; изменение порядка расположения квантовых ям и толщины барьерных слоев может изменять скорость захвата в несколько раз, а при использовании дополнительных барьеров и ям в области ограничения скорость захвата может быть увеличена более чем на порядок; предложены и экспериментально реализованы структуры с модифицированной активной областью: для активной области лазеров с оптической накачкой предложено располагать квантовые ямы как в максимумах поля накачки, так в максимумах генерируемого поля, а связь ям осуществлять туннельно; для лазеров вертикального типа с токовой накачкой предложено уменьшить область ограничения и встроить дополнительную квантовую яму со стороны n-контакта для увеличения эффективности захвата электронов. Предложенные структуры продемонстрировали улучшенные параметры: рекордные или повышенные значения КПД, большую максимальную выходную мощность, сниженный пороговый ток.

С использованием интерполяционных моделей первого-второго порядка и полуаналитических моделей проведено вычисление параметров материалов: зонных параметров, эффективной массы, диэлектрической проницаемости, постоянной решётки и др.; найдены пары материалов без разрыва краёв зон, в том числе согласованных по постоянной решётки с широко применяемыми подложками GaAs и InP, исследованы особенности процессов переноса в таких структурах, обусловленные тем, что в данных структурах ограничение носителей является кинетическим - только за счет изменения эффективной массы носителей в слоях. Предложено использовать такие структуры в качестве токопроводящих зеркал лазеров вертикального типа с токовой накачкой, обеспечивающих одновременно низкие электрические и оптические потери. Малость электрических потерь обусловлена отсутствием потенциальных барьеров при переносе носителей сквозь структуры без разрыва зон, а малость оптических потерь - отсутствием необходимости в высоком уровне легирования. Также предложено использовать структуры без разрыва краёв зон в качестве инжекторов квантово-каскадных лазеров. Теоретически показано, что данные структуры, обеспечивая быстрый перенос электронов, сниженные потери, имеют повышенную стойкость к шумам в напряжении питания.

...