Изучение лазерной структуры на основе ZnMgSSe/ZnCsSe

Изучение лазерной структуры на основе ZnMgSSe/ZnCsSe.
Полупроводниковые материалы А2В6 играют
ключевую роль при создании компактных синезеленых лазеров. Развитие таких лазеров важно
для создания проекционного телевидения,
оптических
коммуникационных
систем,
лазерной навигации. На Рисунке 1 приведены
значения зависимости ширины запрещенной
зоны от параметра решетки для четверных
твердых растворов ZnMgSSe.
Рис. 1. Зависимость ширины запрещенной
зоны от параметра решетки для твердых
растворов А2В6.
В
работе
исследуется
лазерная
гетероструктура 4-676 на основе ZnMgSSe с
квантовыми точками ZnCdSe. Схема структуры
приведена на Рисунке 2.
Для роста структур на основе А2В6 используются подложки
GaAs. Для получения высококачественных слоев и структур
необходимо, чтобы буферный слой (в данном случае, слой
Zn1-xMgxSySe1-y) и подложка GaAs были согласованы по
параметру решетки (см. Рис. 1, пунктирная линия). Понятно, что
можно подобрать буферный слой с необходимым параметром
решетки и шириной запрещенной зоны, варьируя состав
четверного раствора. Из литературы известно, что есть
функциональная связь между значениями х и у для
согласованного с GaAs четверного раствора Zn1-xMgxSySe1-y :
0.015  0.222 x
y
0.259  0.011 x
Значение ширины запрещенной зоны определяется формулой:
Eg ( x )  2.81  0.32 x  2.52 x 2
Поэтому, зная положение максимума люминесценции четверного
раствора ZnMgSSe, можно определить состав этого слоя.
Рис. 3. Транспорт в
многослойной структуре.
Рис. 2. Схема исследуемой
структуры.
Глубина проникновения (r, μm) электронов в твердом теле
определяется формулой (K. Kanaya, S. Okayama):
0.0276 AE 5 / 3
r
Z 8 / 9
где A – средний атомный вес (в а.е.м.), E – энергия (в кэВ), ρ –
плотность (в г/см3), Z – средний атомный номер. Как видно из
формулы, при увеличении энергии электронного зонда
происходит увеличение глубины проникновения электронов в
образце. Для оценки глубины проникновения электронов в
исследуемой многослойной гетероструктуре можно в качестве
средней плотности выбрать ~5.0 г/см3, а для расчета среднего
атомного веса и номера использовать данные для ZnSe.
При возбуждении многослойной структуры может
происходить транспорт носителей заряда. В частности, велика
вероятность "стекания" зарядов из барьерных слоев в активную область (см. Рис. 3). Расстояние,
которое могут "преодолевать" носители заряда (т.н. эффективная диффузионная длина), зависит,
главным образом, от диффузионной длины последних в материале и вероятности
безызлучательной рекомбинации на дефектах. Если вероятность захвата на дефекты низка, то
эффективная диффузионная длина будет близка по величине к диффузионной длине. Типичные
значения диффузионной длины в А2В6 ~ 0.5 μm. Так как концентрация дефектов на интерфейсах в
среднем выше, чем в объемном материале, то качество интерфейсов играет ключевую роль в
определении транспортных свойств: чем выше их совершенство, тем выше эффективная
диффузионная длина.
Для изучения транспортных свойств гетероструктуры можно измерять спектры
катодолюминесценции, варьируя энергию электронного зонда. Это позволяет проследить
изменение соотношения интенсивности полос люминесценции в зависимости от глубины
проникновения электронного зонда.
В работе необходимо получить спектры КЛ при энергии электронного зонда 5 кэВ, 8 кэВ,
10 кэВ, 12 кэВ, 16 кэВ. Оценить глубины проникновения электронов для каждой энергии
электронов, построить зависимость интенсивности полос катодолюминесценции от энергии
электронного зонда. Оценить эффективную длину диффузии носителей заряда в буферном слое
ZnMgSSe, а также состав этого слоя.
Получить зависимость интенсивности люминесценции активного слоя от тока. Оценить
пороговый ток и пороговую мощность лазерной генерации.
Порядок выполнения работы.
1. Включить воду охлаждения,
3+
включить прибор и откачать до Рис. 4 Спектр КЛ YAG:Nd .
достижения
рабочего
значения
вакуума.
2. Поместить образец в камеру
(по инструкции).
3. Выбрать необходимые режимы
измерения в соответствии с целью
работы и исследуемыми образцами.
4. Поместить образец YAG:Nd3+
под электронный зонд.
5. Установить высокое напряжение, вывести ток нити.
6. Провести юстировку зонда (по
инструкции)
7. Поместить исследуемый образец
под
электронный
зонд,
посмотреть
поверхность
в
оптическом микроскопе в широком пучке электронов. Выбрать точки образца, в которых будет
проводиться исследование катодолюминесценции. Записать координаты этих точек.
8. Настройка спектрометра. Возвратиться на образец YAG:Nd. Настроить спектрометр (см.
инструкцию). Включить программу ANALYZER. Получить градуировочный спектр.
9. Получить катодолюминесцентные спектры выбранных точек на образцах (минимум по 3
спектра в точке) при различных значениях энергии электронного зонда. Получить спектры КЛ при
различных значениях тока.
Обработка результатов:
10. Построить градуировочный спектр в программе Origin. Получить градуировочную прямую
(используя спектр YAG:Nd3+). Провести градуировку спектрометра. Оценить ошибку
градуировки.
11. Построить спектры в программе Origin. Определить положение основных пиков.
12. Оценить глубины проникновения электронов для каждой энергии электронов. Построить
зависимость интенсивности полос от энергии электронного зонда для каждой полосы. Оценить
эффективную длину диффузии носителей заряда в буферном слое ZnMgSSe. Определить состав
буферного слоя ZnMgSSe.
13. Построить зависимость интенсивности полос катодолюминесценции от тока. Определить
значение порогового тока и оценить значение пороговой мощности генерации.
14. Составить отчет, включающий цель работы, описание анализируемого образца,
выбранные условия анализа (обосновать), результаты анализа спектров и динамики КЛ,
количество измерений и их ошибку, выводы из проведенной работы.