Физические процессы в полупроводниковых импульсных лазерах с накачкой электронными пучками

УДК 621.375.8 
ББК 32.86-5-01 
 К85 
Р е ц е н з е н т ы: 
академик РАН, проф. Л.В. Келдыш; 
д-р техн. наук, проф. А.С. Насибов 
 
 Крюкова И. В.  
       Физические процессы в полупроводниковых импульсных 
лазерах с накачкой электронными пучками / И. В. Крюкова. — 
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — 443, [2] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-3251-6 
 
Приведены результаты исследований рекомбинационных и радиационных явлений в полупроводниковых лазерах с накачкой импульсными пучками электронов с энергией ниже и выше порога дефектообразования. В отличие от инжекционных в этих лазерах возбуждаются большие объемы активной среды. Это позволило исследовать все возможные 
типы лазерных переходов, используя материалы с различными свойствами, в том числе недоступные для инжекционных лазеров, обнаружить 
новые явления, создать мощные лазеры, конкурирующие с твердотельными. Рассмотрены известные соединения АIIIВV и АIIВVI, а также новые 
трех- и четырехкомпонентные «идеальные» твердые растворы. В условиях интенсивного возбуждения обнаружено новое явление — атермический импульсный отжиг, в результате которого улучшаются объемные 
и поверхностные свойства активных сред. Описаны деградационные явления и спектрально-временные характеристики излучения с разрешением 
до 10–11 с. Рассмотрены возможные физические модели этих явлений.  
Материалы монографии автор использует при чтении лекций в 
МГТУ им. Н.Э. Баумана. Изложенный в книге материал ранее в других 
монографиях не обсуждался. 
Для студентов старших курсов, аспирантов, научных сотрудников, 
работающих в области квантовой электроники. 
 
 
 
УДК 621.375.8  
ББК 32.86-5-01 
 
 
 
 
© Крюкова И.В., 2009 

ISBN 978-5-7038-3251-6 
© Оформление. Издательство МГТУ  
    им. Н.Э. Баумана, 2009 

К85 

Оглавление  

 
Предисловие.................................................................................................... 7 
Введение........................................................................................................ 11 
Литература..................................................................................................... 18 
Глава 1. Некоторые вопросы теории генерации когерентного 
излучения в полупроводниках и пространственное 
распределение плотности возбуждения. Методики 
возбуждения .................................................................................. 20 
1.1. Процессы рекомбинации неравновесных носителей  
в прямозонных полупроводниках................................................... 20 
1.1.1. Процессы поглощения и излучения света в 
прямозонных полупроводниках............................................ 21 
1.1.2. Безызлучательная рекомбинация.......................................... 29 
1.1.3. Экситонный механизм ........................................................... 33 
1.2. Некоторые вопросы теории генерации лазерного излучения 
в полупроводниках........................................................................... 37 
1.3. Расчет коэффициента усиления ...................................................... 47 
1.4. Пространственное распределение плотности возбуждения......... 62 
1.5. Методики возбуждения полупроводниковых лазеров 
импульсными электронными пучками........................................... 70 
Литература..................................................................................................... 73 
Глава 2. Механизмы излучательной рекомбинации и лазерной 
генерации в активных средах на основе соединений AIIIBV 
и AIIBVI ........................................................................................... 77 
2.1. Природа переходов и получение эффективной генерации в 
лазерах на GaAs................................................................................ 78 
2.1.1. Излучательные переходы и механизмы генерации............. 79 
2.1.2. Влияние двойного легирования и снижения 
концентрации дефектов нестехиометрии............................. 93 
2.2. Спонтанное и стимулированное излучение в кристаллах 
GaSb и InAs и роль Оже-рекомбинации....................................... 101 

2.2.1. Влияние особенностей зонного строения кристаллов 
GaSb на эффективность излучения лазеров....................... 101 
2.2.2. Расчет коэффициента усиления и порогов генерации в 
лазерах на GaSb .................................................................... 114 
2.2.3. Экспериментальное определение коэффициентов 
Оже-рекомбинации .............................................................. 117 
2.2.4. Роль Оже-рекомбинации в лазерах на InAs ....................... 127 
2.3. Катодолюминесценция и лазерный эффект в легированных 
кристаллах CdS............................................................................... 134 
2.3.1. Механизмы генерации в высокоэффективных 
неохлаждаемых лазерах на легированных кристаллах 
CdS......................................................................................... 134 
2.3.2. Лазеры на кристаллах CdS, выращенных в условиях 
регулирования давления паров S или Cd ........................... 153 
2.3.3. Скорость рекомбинации неравновесной электроннодырочной плазмы и определение каналов 
безызлучательной рекомбинации в кристаллах CdS(S).... 159 
2.4. Лазерное излучение электронно-дырочной плазмы в особо 
чистых нелегированных кристаллах............................................. 166 
Литература................................................................................................... 185 
Глава 3. Катодолюминесценция и лазерный эффект в 
изопериодических трех- и четырехкомпонентных 
твердых растворах соединений AIIIBV....................................... 192 
3.1. Влияние примесных уровней под непрямыми долинами на 
люминесценцию в GaAlAs и GaAlSb. Зонное строение и 
аномальный рост люминесценции в GaAlSb ............................... 194 
3.2. Катодолюминесценция и лазерный эффект в 
четырехкомпонентных твердых растворах GaInAsP, 
GaInAsSb, InAsSbP ......................................................................... 208 
3.2.1. Эффективное спонтанное и стимулированное 
излучение гетероструктур GaInAsP — InP ........................ 211 
3.2.2. Лазер с диэлектрическим волноводом на основе 
GaInAsP — InP...................................................................... 219 
3.2.3. Неохлаждаемые длинноволновые лазеры на основе 
соединений GaInSbAs — GaSb(InAs)................................. 223 
3.2.4. Лазеры в области 2,5…4 мкм на гетероструктуре 
InAsSbP — InAs.................................................................... 229 
Литература................................................................................................... 232 
Глава 4. Спектрально-временные характеристики спонтанного и 
лазерного излучения ................................................................... 236 
4.1. Методика эксперимента ................................................................ 237 

4.2. Кинетика спонтанного излучения электронно-дырочной 
плазмы и экспериментальное исследование экситонноплазменного фазового перехода Мотта в CdS............................. 239 
4.3. Кинетика спонтанного излучения в GaAs и эффекты 
экранирования акцепторных уровней .......................................... 253 
4.4. Кинетика лазерного излучения ..................................................... 258 
Литература................................................................................................... 263 
Глава 5. Процессы воздействия электронного пучка и 
собственного лазерного излучения на активные среды .......... 266 
5.1. Микрокатодолюминесцентный анализ и влияние 
несовершенств кристаллического строения на параметры 
излучения ........................................................................................ 267 
5.2. Катастрофическая деградация охлаждаемых лазеров на 
GaAs................................................................................................. 272 
5.2.1. Экспериментальные исследования процессов 
деградации ............................................................................ 272 
5.2.2. Деградация на дефектах обработки поверхности.............. 280 
5.2.3. Процессы деградации на микронеоднородностях............. 281 
5.2.4. Процессы деградации в оптически однородных 
кристаллах............................................................................. 288 
5.3. Особенности деградации в неохлаждаемых лазерах на GaAs ... 294 
5.4. Деградация лазеров на CdS ........................................................... 297 
5.5. Аналитическая модель процесса деградации с участием 
дислокации...................................................................................... 307 
5.6. Влияние температуры на механизм разрушения и 
механические свойства соединения AIIBVI................................... 313 
5.7. Деградация активных элементов при длительных 
испытаниях в импульсно-периодическом режиме работы......... 318 
5.8. Деградация лазеров на других полупроводниковых 
материалах ...................................................................................... 324 
Литература................................................................................................... 326 
Глава 6. Импульсный отжиг полупроводниковых активных сред 
лазеров при облучении интенсивными потоками 
электронов с энергией выше порога дефектообразования...... 331 
6.1. Основные характеристики лазеров на GaAs с накачкой 
интенсивными импульсными электронными пучками 
высоких энергий............................................................................. 332 
6.2. Влияние облучения интенсивными импульсными пучками 
электронов на электрофизические и фотолюминесцентные 
свойства кристаллов GaAs............................................................. 340 

6.3. Улучшение люминесцентной способности и структуры 
кристаллов GaAs после облучения импульсным 
интенсивным пучком электронов ................................................. 344 
6.4. Импульсный отжиг радиационных дефектов при облучении 
интенсивными импульсными потоками электронов высоких 
энергий ............................................................................................ 349 
6.5. Электронно-световой отжиг поверхностных слоев 
активных сред и роль неравновесных структурно-фазовых 
переходов ........................................................................................ 363 
6.6. Влияние длительного импульсного облучения на лазеры из 
CdS................................................................................................... 370 
Литература................................................................................................... 376 
Глава 7. Мощные импульсные лазеры и механизмы ограничения 
их предельных характеристик.................................................... 379 
7.1. Исследования параметров излучения неохлаждаемых 
лазеров на GaAs, CdS, ZnSe, ZnO с продольной импульсной 
накачкой .......................................................................................... 380 
7.2. Влияние разогрева неравновесных носителей заряда в 
сильно возбужденных полярных полупроводниках на 
эффективность лазеров .................................................................. 392 
7.2.1. Процессы разогрева и термализации ЭДП в 
полупроводниках при высоких уровнях возбуждения ..... 392 
7.2.2. Влияние перегрева ЭДП на эффективность 
неохлаждаемых лазеров....................................................... 396 
7.3. Расчет и исследование влияния термоупругих напряжений 
на предельные параметры накачки мощных лазеров.................. 407 
7.4. Мощные импульсные многоэлементные лазеры......................... 418 
7.5. Параметры некоторых созданных приборов на основе 
импульсных лазеров с электронной накачкой............................. 426 
Литература................................................................................................... 440 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Предлагаемая монография И.В. Крюковой является, по существу, 
первым в нашей научной литературе систематическим описанием 
неравновесных явлений в полупроводниковых лазерах в условиях 
интенсивного импульсного возбуждения потоком быстрых электронов с энергией до и выше дефектообразования. По сравнению с другими методами возбуждение электронным пучком имеет преимущества с точки зрения универсальности (применимо для любых материалов) и возможности обеспечения сравнительно однородного возбуждения достаточно больших объемов, способствующих выявлению основных механизмов протекающих явлений. Одной из важнейших областей приложения этих результатов является разработка 
полупроводниковых источников света, в первую очередь лазеров. 
И.В. Крюкова – одна из наиболее авторитетных специалистов 
в этой области. Основными достоинствами монографии являются 
рассмотрение большого числа новых и интересных явлений, в 
большинстве случаев обнаруженных и исследованных автором и 
ее сотрудниками. К ним, в частности, относятся: новые механизмы 
генерации и методы повышения эффективности неохлаждаемых 
лазеров при высоких уровнях возбуждения в основных группах 
(бинарных) полупроводниковых соединений и новых изопериодических трех- и четырехкомпонентных твердых растворов в зависимости от параметров зонной структуры, химического состава, 
легирования и типа примесных уровней; открытие атермического 
импульсного радиационного отжига полупроводников, возбуждаемых электронами высоких энергий; обнаружение в узкозонных 
полупроводниках аномально высоких скоростей Оже-рекомбинации — основного канала безызлучательной рекомбинации при высоких уровнях возбуждения и разработка интересных методов 
снижения их влияния; новые механизмы деградации в зависимости 
от типа активных сред, условий облучения и энергии электронных 
пучков; новые данные по фазовому экситонно-плазменному переходу в CdS. Большой интерес представляют методы выращивания 
высококачественных технически важных полупроводниковых материалов, а также создание новых эффективных переходов для неохлаждаемых лазеров, разработанных при участии автора. 

Книга в основном базируется на результатах, полученных автором и ее аспирантами совместно с сотрудниками других научных центров. Эти изыскания первоначально были направлены на 
выбор и исследование полупроводниковых материалов для активных элементов, излучающих в широком диапазоне длин волн 
(0,5…10,0 мкм) лазерные импульсы наносекундной длительности. 
Задача возникла в связи с необходимостью метрологического 
обеспечения быстропротекающих процессов, которые изучались 
во ВНИИОФИ Госстандарта СССР, где И.В. Крюкова возглавляла 
отдел лазерных источников излучения. Дальнейшие исследования 
проводились в рамках другой прикладной задачи – создание мегаваттных источников излучения в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне (0,34…0,5 мкм) для линий связи космического 
аппарата с наземными и подводными объектами.  
Для решения всех этих задач был проведен большой цикл исследований по подбору исходных материалов, изучению механизмов 
генерации и по улучшению свойств ранее известных кристаллов в 
целях создания эффективных лазеров, работающих без специального охлаждения, созданию первых лазеров на новых четырехкомпонентных соединениях, излучающих в технически важном спектральном диапазоне 1…4 мкм. В результате всех этих работ были 
созданы первые эффективные неохлаждаемые лазеры в ИКдиапазоне и улучшены параметры излучения лазеров в видимом и 
ближнем ультрафиолетовом диапазоне на соединениях АII ВVI. Были определены требования к материалам и рабочим переходам, что 
позволило создать лазеры с выходными параметрами, близкими к 
теоретическому пределу. 
Интересные и ранее не известные результаты получены по 
увеличению эффективности лазеров при легировании кристаллов 
АIIВVI. В монографии приводятся описания новых эффектов, которые благодаря универсальности метода возбуждения электронными пучками ранее не наблюдались в других лазерах, возбуждаемых иными методами. 
В книге значительное внимание уделено результатам исследования динамики спектрально-временных характеристик спонтанного и лазерного излучения с высоким уровнем разрешения ≈10–11 с 
в широком диапазоне концентраций неравновесных носителей  
1016…1019 см–3. Эта методика позволила наблюдать сложную динамику излучения в течение коротких импульсов (10–9…10–10 с) — 
смену механизмов генерации; получить экспериментальные дан

ные по фазовому экситонно-плазменному переходу и определить  
значения критерия Мота, а также  коэффициентов связывания носителей в экситоны при 300 K в CdS. Все перечисленные результаты 
относятся к фундаментальным явлениям и, несомненно, представляют значительный интерес для исследователей в области физики 
полупроводников и полупроводниковых лазеров. Большинство 
представленных в монографии результатов экспериментальных 
исследований подкреплены теоретическими моделями и расчетами.  
Практический интерес представляют мегаваттные импульсные 
лазеры и результаты исследования явлений, возникающих при интенсивных накачках полупроводников электронными импульсами 
наносекундной длительностью. Показано, что отрыв температуры 
неравновесной электронно-дырочной плазмы от температуры решетки обусловливает снижение мощности излучения лазеров, особенно у нелегированных кристаллов, а возникновение высоких 
амплитуд термических напряжений при интенсивном импульсном 
возбуждении  может приводить к хрупкому разрушению кристаллов, 
что ограничивает рабочие токи накачки. Несмотря на эти ограничения, благодаря открытию явления импульсного радиационного 
отжига оказалось возможным создавать при облучении импульсными потоками электронов с энергией выше порога дефектообразования мегаваттные полупроводниковые лазеры. Следует подчеркнуть, что явление импульсного отжига, которое по природе 
своей имеет атермический характер, было принципиально новым и 
никем ранее не предсказывалось. Самоотжиг дефектов в процессе 
облучения обеспечивал высокий рабочий ресурс таких лазеров. 
Вызывает большой интерес другая форма такого импульсного 
отжига — комбинированный электронно-световой отжиг нарушенных поверхностных слоев активных сред. Предполагается, что 
в основе этого явления лежит механизм неравновесных структурно-фазовых переходов. Оказалось, что интенсивное импульсное 
облучение электронами высоких энергий в отличие от традиционного непрерывного низкоинтенсивного облучения не только необратимо не ухудшает свойств активных сред, но и после прекращения облучения в течение десятка часов приводит к улучшению 
люминесцентных и структурных свойств кристаллов. Этот новый  
эффект имеет большое практическое значение и представляет значительный научный интерес. Первые работы по импульсному радиационному отжигу легли в основу нового научного направления. 

В заключение я бы отметил, что исследования большого круга 
проблем именно в сильно возбужденных полупроводниках, коотрые  позволили получить ряд новых научных результатов, несомненно, представляют интерес для физиков, работающих в области создания мощных полупроводниковых источников лазерного 
излучения, подвергающихся как сильному радиационному воздействию, так и собственному лазерному излучению. 
Считаю, что монография И.В. Крюковой представляет интерес 
для научных работников, технологов, аспирантов и студентов, работающих в области полупроводников и лазерной техники. 
 
Доктор технических наук,  
профессор  А.С. Насибов