Bohdan Roland - unideb.hu

Magas nyomaacutes hataacutesa a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr- leacutezerstruktuacuteraacutek elektronfolyamataira

doktori (PhD) eacutertekezeacutes

Bohdan Roland

Debreceni Egyetem Termeacuteszettudomaacutenyi Kar

Debrecen 2006

Ezen eacutertekezeacutest a Debreceni Egyetem TTK fizika tudomaacutenyok doktori iskola szilaacuterdtestfizika eacutes anyagtudomaacuteny programja kereteacuteben keacutesziacutetettem a Debreceni Egyetem TTK doktori (PhD) fokozataacutenak elnyereacutese ceacuteljaacuteboacutel Debrecen 2006 Bohdan Roland

Tanuacutesiacutetom hogy Bohdan Roland doktorjeloumllt 2005 ndash 2006 koumlzoumltt a fent megnevezett doktori iskola szilaacuterdtestfizika eacutes anyagtudomaacuteny programjaacutenak kereteacuteben iraacutenyiacutetaacutesommal veacutegezte munkaacutejaacutet Az eacutertekezeacutesben foglalt eredmeacutenyekhez a jeloumllt oumlnaacutelloacute alkotoacute teveacutekenyseacutegeacutevel meghataacuterozoacutean hozzaacutejaacuterult Az eacutertekezeacutes elfogadaacutesaacutet javasolom Debrecen 2006 Dr Koumlkeacutenyesi Saacutendor teacutemavezető

I BEVEZETEacuteS 1

II CEacuteLKITŰZEacuteS 2

III ELMEacuteLETI OumlSSZEFOGLALOacute3 31 Kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerdioacuteda feleacutepiacuteteacutese eacutes műkoumldeacutesi elve3 32 Feacutelvezető kvantumgeneraacutetor legfontosabb elektromos eacutes optikai parameacuteterei7 33 AIIIBV feacutelvezető anyagok fizikai tulajdonsaacutegai eacutes alkalmazaacutesuk a leacutezertechnikaacuteban 14 34 Kuumllső teacutenyezők hataacutesa a feacutelvezető leacutezerstruktuacuteraacutera 15

IV KIacuteSEacuteRLETI RENDSZEREK EacuteS MOacuteDSZEREK FEJLESZTEacuteSE22 41 Tanulmaacutenyozott kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek22 42 A magasnyomaacutesuacute kamra eacutes a nyomaacuteskoumlzvetiacutető koumlzeg tulajdonsaacutegai 27 43 Leacutezerek elektromos eacutes optikai tulajdonsaacutegainak tanulmaacutenyozaacutesa magas nyomaacutes alatt 30

431 Alapismeretek30 432 Leacutezer ndash lencse ndash zafiacuterablak feacutenykivezető-rendszer a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel 31 433 Leacutezerdioacutedandashoptikai szaacutel feacutenykivezető-rendszer a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel 33

44 Alkalmazott meacutereacutesi eszkoumlzoumlk eacutes technikai jellemzőik 35 V KIacuteSEacuteRLETI EREDMEacuteNYEK EacuteS ALKALMAZAacuteSUK37

51 A hullaacutemhossz nyomaacutes eacutes hőmeacuterseacuteklet fuumlggeacutese kuumlloumlnboumlző feacutelvezető leacutezerstruktuacuteraacutek eseteacuten37 52 Elektronok kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből42 53 Feacutelvezető leacutezerek anomaacutelis aacuteram-feszuumlltseacuteg fuumlggeacutese magas nyomaacutes alatt48 54 Belső elektromos teacuter aacuternyeacutekolaacutesa GaN alapuacute leacutezerekneacutel elektron- injekcioacute eacutes Si adaleacutekolaacutes aacuteltal 53 55 Az Auger-effektus kaacuteros hataacutesa GaSb alapuacute leacutezerekre57 56 Optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező tanulmaacutenyozaacutesa valamint kuumllső rezonaacutetor hasznaacutelataacutenak lehetőseacutegei magas nyomaacutes alatt 61 57 Magas nyomaacutessal hangolt GaSb- InGaAs- alapuacute leacutezerek alkalmazaacutesa 64

VI OumlSSZEFOGLALAacuteS68

VII SUMMARY71

VIII KOumlSZOumlNETNYILVAacuteNIacuteTAacuteS79

IX IRODALOMJEGYZEacuteK 80

Bevezeteacutes

1

I Bevezeteacutes

Koumlzismert hogy a feacutelvezető anyagok elektromosoptikai tulajdonsaacutegait az elektromos eacutes maacutegneses teacuter nyomaacutes vagy eacuteppen a koumlrnyezet hőmeacuterseacuteklete jelentősen befolyaacutesolhatja [1] Ezen teacutenyezők hataacutesa fokozottan eacuterveacutenyesuumllhet a kvantum(nano)-struktuacuteraacutekban illetve a ma maacuter igen elterjedt kvantum-effektusokon alapuloacute eszkoumlzoumlk (0 1 eacutes 2 dimenzioacutes struktuacuteraacutek) eseteacuteben [2] Ilyenek peacuteldaacuteul a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek [3] E leacutezerdioacutedaacutek az utoacutebbi időben csaknem teljesen kiszoriacutetottaacutek az egyszerű homo- eacutes hetero- p-n aacutetmenettel rendelkező elődeiket mind a tudomaacutenyos kutataacutesok tereacuten mind az iparban eacutes a heacutetkoumlznapi eacuteletben is Ugyanakkor meacuteg szaacutemos kiacuteseacuterleti munka szuumlkseacuteges ahhoz hogy egyeacutertelműen megaacutellapiacutethatoacutek legyenek az ilyen struktuacuteraacutek parameacuteterei (raacutecsaacutellandoacute saacutevstruktuacutera elektronaacutetmenetek toumlreacutesmutatoacute optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező) valamint a kuumllső teacutenyezők (hőmeacuterseacuteklet maacutegneses teacuter nyomaacutes) hataacutesa ezen eszkoumlzoumlkre

A jelenleg folyoacute kutataacutesok egy maacutesik fontos iraacutenya a feacutelvezető leacutezerek

parameacutetereinek a javiacutetaacutesa valamint ezen eszkoumlzoumlk felhasznaacutelhatoacutesaacutegaacutenak bőviacuteteacutese Reacutegoacuteta ismert hogy a nyomaacutes a hőmeacuterseacuteklet vagy eacuteppen a kuumllső rezonaacutetor kihat a feacutelvezető leacutezer teljesiacutetmeacutenyeacutere kuumlszoumlbaacuteramaacutera sugaacuterzaacutesaacutenak hullaacutemhosszaacutera [14] Az alapkutataacutesok szempontjaacuteboacutel jelentős előreleacutepeacutest eredmeacutenyezne ha egyidejűleg vizsgaacutelhatoacute lenne toumlbb kuumllső teacutenyező egyuumlttes hataacutesa ami a leacutezerdioacutedaacutek alapjaacutet keacutepező feacutelvezető anyagok eacutes felhasznaacutelaacutesukkal keacuteszuumllt kvantumstruktuacuteraacutek előbb emliacutetett karakterisztikaacutei pontosabb meghataacuterozaacutesaacutet segiacuteteneacute elő

Az alapkutataacutesok eredmeacutenyeitől vaacuterhatoacute a feacutelvezető leacutezerek műszaki

parameacutetereinek a javiacutetaacutesa A joacute hataacutesfokuk eacutes energiatakareacutekossaacuteguk miatt minden maacutes előnyuumlkoumln tuacutel a leacutezerdioacutedaacutek feacutenyforraacuteskeacutent toumlrteacutenő alkalmazaacutesaacutenak nincs reaacutelis versenytaacutersa (nem csak a koherens de az oumlsszes tiacutepusuacute feacutenyforraacutes koumlzoumltt sem) Ismert viszont hogy a hasznaacutelatban levő feacutelvezető leacutezerek csak egy-egy szűk hullaacutemhossz tartomaacutenyban sugaacuteroznak [34] ezeacutert jelenleg azon kutataacutesok keruumlltek leginkaacutebb előteacuterbe melyek ceacutelja a laacutethatoacute koumlzeli ibolyaacutentuacuteli eacutes koumlzeli infravoumlroumls hullaacutemhosszuacute tartomaacutenyokat lefedő feacutenyforraacutesok fejleszteacutese A ma ismert feacutelvezető anyagok karakterisztikaacutei (raacutecsaacutellandoacute saacutevszerkezet toumllteacuteshordozoacutek mozgeacutekonysaacutega optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező) azonban jelentős korlaacutetot szabnak az uacutejabb leacutezerstruktuacuteraacutek kutataacutesa eacutes fejleszteacutese eleacute [4 5] Mivel a hidrosztatikai nyomaacutes alkalmazaacutesa a leghataacutesosabb eszkoumlz a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek aacuteltal kibocsaacutetott feacuteny hullaacutemhosszaacutenak hangolaacutesaacutera ezeacutert leginkaacutebb ennek felhasznaacutelaacutesaacuteval vaacuterhatoacute a legnagyobb siker eleacutereacutese

Ceacutelkitűzeacutes

2

II Ceacutelkitűzeacutes

Munkaacutemban elsősorban a magas hidrosztatikai nyomaacutes valamint a hőmeacuterseacuteklet eacutes a kuumllső rezonaacutetor egyuumlttes hataacutesaacutet vizsgaacuteltam az AIIIBV alapuacute kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerdioacutedaacutek elektronfolyamataira melyek meghataacuterozzaacutek e leacutezerek elektromos eacutes optikai tulajdonsaacutegait Kutataacutesaim kiterjedtek a leacutezerdioacutedaacuteknaacutel felhasznaacutelt feacutelvezető anyagok illetve azokboacutel keacuteszuumllt kvantumstruktuacuteraacutek saacutevszerkezeteacutenek fontosabb parameacutetereinek (tiltott saacutev optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező kvantumszintek kisugaacuterzott feacuteny hullaacutemhossza) eacutes e struktuacuteraacutekban veacutegbemenő folyamatok (toumllteacuteshordozoacutek kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből Auger-effektus belső elektromos teacuter) magas nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutenek vizsgaacutelataacutera

A doktori dolgozat fő ceacuteljai

bull Tovaacutebbfejleszteni a magasnyomaacutesuacute optikai meacutereacutesi moacutedszert leacutetrehozva egy nagy hataacutesfokuacute szaacuteloptikaacuteval vagy zafiacuter ablakkal rendelkező eacutes a feacutelvezető leacutezer feacutenyforraacutessal egyesiacutetett feacutenykivezető rendszert a magasnyomaacutesuacute kamraacutehoz Ilyen moacutedon egy rendszerben egyesiacutetve a leacutezerdioacuteda hullaacutemhosszaacutet hataacutesosan hangoloacute teacutenyezőket (hidrosztatikus nyomaacutes hőmeacuterseacuteklet kuumllső rezonaacutetor) kimutatni a feacutelvezető kvantum-generaacutetor eszkoumlzoumlk hidrosztatikai nyomaacutessal szeacuteles tartomaacutenyban valoacute hangolhatoacutesaacutegaacutet ami egyben lehetőseacuteget ad a ma gyaacutertott feacutelvezető leacutezerek sugaacuterzaacutesi tartomaacutenyaacuteban megleacutevő 400-2500 nm koumlzoumltti reacutesek kitoumllteacuteseacutere

bull Tanulmaacutenyozni az AIIIBV (GaN InP GaAs GaSb stb) alapuacute

kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek optikai eacutes elektromos jellemzőinek (kisugaacuterzott hullaacutemhossz stimulaacutelt emisszioacute aacuteram-feszuumlltseacuteg karakterisztika kuumlszoumlbaacuteram moacutedusstruktuacutera) hidrosztatikus nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutet szeacuteles hőmeacuterseacutekleti tartomaacutenyban Ezaacuteltal alapot biztosiacutetani olyan a leacutezerdioacutedaacutek eseteacuteben kaacuteros jelenseacutegek mennyiseacutegi eacutes minőseacutegi vizsgaacutelataihoz mint peacuteldaacuteul a toumllteacuteshordozoacutek kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből (AlGaInP AlGaAs alapuacute struktuacuteraacutekban) Auger-effektus (GaSb alapuacute struktuacuteraacutekban) valamint a szinteacuten kaacuteros belső elektromos teacuter hataacutesaacutenak vizsgaacutelataacutehoz (GaN alapuacute leacutezerstruktuacuteraacutekban)

Elmeacuteleti oumlsszefoglaloacute

3

III Elmeacuteleti oumlsszefoglaloacute

31 Kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerdioacuteda feleacutepiacuteteacutese eacutes műkoumldeacutesi elve

A feacutenyemisszioacute fizika alapjaiboacutel kiindulva a feacutenyforraacutesok keacutet nagy csoportra oszthatoacutek nem koherensekre eacutes koherensekre [6] A leacutezer mint koherens feacutenyforraacutes alapjaacuteban kuumlloumlnboumlzik a nem koherens (termikus- elektromos kisuumlleacutes- lumineszcencia- alapuacute) feacutenyforraacutes sugaacuterzaacutesaacutetoacutel monokromatikus (nagy a spektraacutelis teljesiacutetmeacuteny sűrűseacutege) paacuterhuzamos (kicsi a nyalaacuteb divergenciaacuteja) eacutes ami talaacuten a legfontosabb tulajdonsaacutega hogy a kisugaacuterzott hullaacutemok azonos faacutezisuacuteak azaz koherensek Egy ilyen tiacutepusuacute sugaacuterzaacutes leacutetrehozaacutesaacutehoz a koumlvetkező elemekre van szuumlkseacuteg 1) energiaforraacutes 2) optikailag aktiacutev koumlzeg (amelyben a stimulaacutelt emisszioacute feluumllmuacutelja az abszorpcioacutet) 3) az esetek toumlbbseacutegeacuteben optikai visszacsatolaacutes rezonaacutetor segiacutetseacutegeacutevel

Az energiaforraacutes minden feacutenyforraacutes elengedhetetlen reacutesze Leacutezerek eseteacuteben ez lehet elektromos kisuumlleacutes (pl gaacutezkisuumlleacutes) lumineszcencia (foto elektromos eacutes keacutemiai) vagy baacutermilyen maacutes termeacuteszetű Az optikailag aktiacutev koumlzeg viszont az ami minden leacutezer alapja E koumlzegben a sugaacuterzaacutes erősiacuteteacuteseacutenek felteacutetele az inverz populaacutecioacute leacutetrejoumltte Csak populaacutecioacuteinverzioacutenaacutel alakulhat ki olyan stimulaacutelt emisszioacute mely leacutezersugaacuterzaacutest eredmeacutenyezhet A kuumllső rezonaacutetornak neacutegy fő szerepet tulajdoniacutethatunk a feacuteny visszacsatolaacutesa az aktiacutev koumlzegbe a sugaacuterzaacutes kivezeteacutese az aktiacutev zoacutenaacuteboacutel a kisugaacuterzott feacuteny hullaacutemhosszaacutenak kivaacutelasztaacutesa a sugaacuterzaacutes iraacutenyaacutenak meghataacuterozaacutesa A leacutezerfeacutenyforraacutesok meacuterete igen vaacuteltozatos Vannak toumlbb kilomeacuteteres szabadelektron leacutezerek neacutehaacuteny meacuteter hosszuacute gaacutezleacutezerek de akadnak gombostűfejnyi feacutelvezető leacutezerek is Az utoacutebbiak meacuterete termeacuteszetesen sokkal előnyoumlsebb hataacutesfokuk joacuteval magasabb hasznaacutelatuk sokkal egyszerűbb a toumlbbihez keacutepest eacutes alkalmazaacutesuk szinte mindennapos

Az első feacutelvezető leacutezer struktuacuteraacutek maacuter a hatvanas eacutevek elejeacuten (1962)

megjelentek [7] gyakorlatilag roumlgtoumln azt koumlvetően hogy Bernard eacutes Duraffourg (1958 eacutes 1961 koumlzoumltt) [8] leiacutertaacutek a p-n aacutetmenet segiacutetseacutegeacutevel toumlrteacutenő leacutezerfeacuteny előaacutelliacutetaacutesaacutenak elvi lehetőseacutegeacutet Meg kell ugyanakkor jegyezni hogy von Neumann nem publikaacutelt jegyzetei maacuter 1953-ban felteacutetelezteacutek ezt a lehetőseacuteget [1] Bernard eacutes Duraffurg megmutattaacutek hogy leacutezereffektus a p-n aacutetmenetneacutel abban az esetben lehetseacuteges ha az elektronok eacutes lyukak kvaacutezi Fermi-szintje koumlzoumltti taacutevolsaacuteg (Efc Efv) nagyobb a kisugaacuterzott foton energiaacutejaacutenaacutel (hν) amely nem lehet kisebb a tiltott saacutevnaacutel (Eg) [8]

gfvfc EhEE gtgtminus ν (1)


4

Ezt az aacutellapotot legegyszerűbben toumllteacuteshordozoacutek injektaacutelaacutesa reacuteveacuten tudjuk leacutetrehozni (1aacutebra) A 60-as eacutevek elejeacuten technikai korlaacutetokba uumltkoumlzoumltt a feacutelvezető fizika Az akkori moacutedszerekkel nem volt lehetőseacuteg olyan tisztasaacuteguacute eacutes minőseacutegű feacutelvezető p-n struktuacuteraacutekat gyaacutertani melyek szobahőmeacuterseacutekleten lehetőveacute tetteacutek volna a szeacuteles koumlrű alkalmazaacutest Erre akkor nyiacutelt lehetőseacuteg amikor megjelentek az olyan veacutekonyreacuteteg előaacutelliacutetaacutesaacutera alkalmas moacutedszerek mint a MOCVD (feacutem-organikus keacutemiai gőzfaacutezisuacute levaacutelasztaacutes) vagy az MBE (molekulasugaras epitaxia) [6] Az igen joacute minőseacutegű eacutes nagy hataacutesfokuacute kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerdioacutedaacutek csak e moacutedszerek elterjedeacutese utaacuten jelentek meg toumlmegesen

Kvantumpotenciaacutel-goumldoumlrről akkor beszeacutelhetuumlnk ha a tanulmaacutenyozott feacutelvezető reacuteteg vastagsaacutega 5-100 nm (ami 10-200 raacutecsaacutellandoacutet jelent) E meacuterettartomaacutenyokban a fizikai folyamatok klasszikus modellek leiacuteraacutesaival maacuter nem eacutertelmezhetők ezeacutert szuumlkseacutegszerű a kvantummechanika hasznaacutelata Peacuteldaacuteul elektromos aacuteram helyett az elektronhullaacutemok kvantummechanikai interferenciaacutejaacuteroacutel beszeacuteluumlnk

1 aacutebra Toumllteacuteshordozoacutek injektaacutelaacutesa nyomaacuten kialakuloacute leacutezereffektus elve a feacutelvezetőkben


5

a) b)

c) d)

2 aacutebra A kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-

leacutezerstruktuacutera energiaszint aacutebraacuteja (vezeteacutesi saacutev) a) egy (single) kvantum-goumldoumlr b) toumlbb

(multi) kvantum -goumldoumlr c)-d) gradiens kvantum-goumldoumlr [9]

Feacutelvezető leacutezerdioacutedaacutek eseteacuten kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacutera akkor joumln leacutetre ha egy kisebb tiltottsaacutevuacute feacutelvezető-reacuteteget (kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr angol neveacuten quantum well ndash qw) mindkeacutet oldalroacutel nagyobb tiltott-saacutevuacute feacutelvezető (kvantumpotenciaacutel-gaacutetndashquantum-barrierndashqb) hataacuterolja (2 aacutebra) [9] Gyakran alkalmaznak olyan struktuacuteraacutet amelyet toumlbb kvantum-potenciaacutel-goumldoumlr alkotja - (multi quantum well) (2b aacutebra) Az egy- illetve a toumlbb- kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-struktuacutera alkotja az aktiacutev reacuteteget Az aktiacutev reacuteteget nagyobb tiltottsaacutevuacute hullaacutemvezeteacutest biztosiacutetoacute feacutelvezető-reacuteteg hataacuterolja Ezt a reacuteteget egy tovaacutebbi meacuteg nagyobb tiltottsaacutevuacute fedőreacuteteg (cladding - cl) hataacuterolja Az egyszerűseacuteg kedveacuteeacutert az aacutebraacuten csak a vezeteacutesi saacutevot aacutebraacutezoltuk de ugyanez jellemző a vegyeacuterteacuteksaacutevra is A kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr (vastagsaacutega 10-200 nm) sajaacutetvezeteacutesű a kvantumpotenciaacutel-gaacutet toumlbbnyire szinteacuten sajaacutetvezeteacutesű szemben a fedőreacuteteggel (2 aacutebra) amely maacuter adaleacutekolt feacutelvezető is lehet Itt szuumlkseacuteges kihangsuacutelyozni hogy a reacutetegek optikai eacutes elektromos szerepe eleacuteggeacute vaacuteltozoacute lehet kuumlloumlnboumlző szerkezetű eacutes feleacutepiacuteteacutesű struktuacuteraacutenaacutel

Toumlmbi feacutelvezetőneacutel parabolikus saacutevszerkezeti megkoumlzeliacuteteacutes eseteacuten a vezeteacutesi saacutev aljaacutenak energiafuumlggeacutese (Ec(k)) a hullaacutemvektortoacutel (k) az alaacutebbiak szerint iacuterhatoacute le (parabolikus megkoumlzeliacuteteacutes) [2]

kmEe

c k 22

2)( h=

(2)

Az elektronaacutellapot-sűrűseacuteget a haacuteromdimenzioacutes toumlmbi anyagban (ρ3D(E)) a koumlvetkezőkeacuteppen hataacuterozhatjuk meg [2]

( ) 1)( 2323EzyxE mmmD hπ

ρ = (3)

ahol mi az elektron effektiacutev toumlmegeacutenek xyz- komponense h a Planck-aacutellandoacute Ugyanakkor kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-struktuacuteraacutek eseteacuteben a rendszer keacutetdimenzioacutes volta miatt kvantummechanikai tulajdonsaacutegok (energiaszintek minisaacutevok) jelennek meg (laacutesd a kuumlloumlnbseacutegeket a 3a eacutes 3b aacutebraacutekon) Az elektronaacutellapotok sűrűseacutege ilyen esetben a koumlvetkező egyenlet segiacutetseacutegeacutevel iacuterhatoacute le [2]


6

( ))( 22 iz

eD

EELh

E m minusΘ= sumπρ (4)

ahol ( )iEE minusΘ a Hevisajd leacutepcsős fuumlggveacuteny Lz a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr szeacutelesseacutege Ei az i - minisaacutev energiaacuteja

Mivel a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-struktuacutera oumlnmagaacuteban egy igen veacutekony

struktuacutera valamint a mini saacutevszerkezetnek minőseacutegileg maacutes jellege van a toumlmbi anyagok energia saacutevszerkezeteacutehez keacutepest (3c aacutebra) azt tapasztaljuk hogy a leacutezer effektus maacuter joacuteval kisebb toumllteacuteshordozoacute-injektaacutelaacutessal eleacuterhető Ez gyakran nagysaacutegrendileg kisebb aacuteramsűrűseacuteget jelent az egyszerű heterostruktuacuteraacutes leacutezerekhez keacutepest Ez meacuteg akkor is eacuterveacutenyes ha az aktiacutev reacuteteg nagyon veacutekony ezeacutert a feacutenyintenzitaacutes eloszlaacutesa (hataacuterolaacutesa - confinement factor - Ω) a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-struktuacutera eseteacuteben (4baacutebra) valamelyest rosszabb mint az egyszerű heterostruktuacuteraacuteban [34]

22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)

3 aacutebra Az elektronaacutellapotok sűrűseacutegeacutenek eloszlaacutesa a) toumlmbi anyagban b) kvantum-goumldoumlrben c) a kvantummechanika aacuteltal megengedett optikai rekombinaacutecioacutes aacutetmenetek

diszkreacutet minisaacutevok koumlzt


7

ahol Eel - az elektromaacutegneses hullaacutem elektromos tereacutenek a feszuumlltseacutege d - a kvantumgoumldoumlr vastagsaacutega A kvantumgoumldoumlr minisaacutev-szerkezete valamint a koumlnnyű eacutes neheacutez lyukak jelenleacutete meghataacuterozza a kisugaacuterzott fotonok energiaacutejaacutet (4d aacutebra) [3]

( ) ( )111 lhhheg vagyEEEqwEh ++=ν (6)

32 Feacutelvezető kvantumgeneraacutetor legfontosabb elektromos eacutes optikai parameacuteterei

Baacutermely fizikai jelenseacuteg megeacuterteacutese vagy egy eszkoumlz műkoumldeacutesi elveacutenek tanulmaacutenyozaacutesa eseteacuten a legfontosabb hogy egyeacutertelműen laacutetnunk kell milyen meacutereacuteseket vagyunk keacutepesek koumlzvetlenuumll elveacutegezni valamint mi a kapcsolat az anyagra jellemző parameacuteterek eacutes a meacutert elektromosoptikai eacuterteacutekek koumlzoumltt Szaacutemos esetben azonban a kiacuteseacuterleti munka soraacuten igen sok neheacutezseacuteggel kell megkuumlzdeni A feacutelvezető leacutezerdioacuteda esete sem kiveacutetel kuumlloumlnoumlsen ha figyelembe vesszuumlk hogy e munka ceacutelja a magas hidrosztatikus nyomaacutes hataacutesaacutenak vizsgaacutelata ami maacuter oumlnmagaacuteban is extreacutem koumlruumllmeacuteny a feacutelvezető struktuacutera szempontjaacuteboacutel

Mivel a feacutelvezető leacutezerdioacuteda egyidejűleg leacutezer is meg dioacuteda is termeacuteszetesen fontos mind az elektromos mind pedig optikai tulajdonsaacutegainak vizsgaacutelata

kvantum potenciaacutel-goumldoumlr (qw)

n fedő reacuteteg (cl)

feacutem elektroacutedap fedő reacuteteg (cl) kvantum potenciaacutel-gaacutet(qb)

kvantum potenciaacutel-gaacutet(qb)

feacutem elektroacutedaSugaacuterzoacute feluumllet

a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb

4 aacutebra Kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacutera (egy kvantumgoumldoumlrrel) a) feleacutepiacuteteacutese-elvi

elrendezeacutese b) saacutevdiagramja feacuteny-intenzitaacutes eloszlaacutesa (E2) ahol E ndash elektromaacutegneses hullaacutem elektromos tereacutenek feszuumlltseacutege c) toumlreacutesmutatoacute eloszlaacutesa (n) d) műkoumldeacutesi elve


8

Baacutermely leacutezerre jellemző az uacuten leacutezereffektus-kuumlszoumlb amely az optikai teljesiacutetmeacuteny ugraacutesszerű noumlvekedeacuteseacutevel hozhatoacute kapcsolatba Injekcioacutes leacutezerek eseteacuten ez a kuumlszoumlbaacuteram thI (pontosabban kuumlszoumlbaacuteram sűrűseacuteg ndash thJ ) amelyneacutel megjelenik a leacutezersugaacuterzaacutes vagyis amikor a stimulaacutelt sugaacuterzaacutes teljesen dominaacutenssaacute vaacutelik a spontaacuten emisszioacute felett (5 aacutebra)

Aacuteltalaacutenosan elfogadott hogy a leacutezerdioacuteda aacuteram-feszuumlltseacuteg karakterisztikaacuteja ( VI minus ) hasonliacutet a klasszikus p-n dioacuteda amper- volt fuumlggveacutenyeacutehez [4]

( )[ ]1exp minusminus= ss IRVII β (7) ahol

nkTe=β sI - zaacuteroacuteiraacutenyuacute teliacuteteacutesi aacuteram sR ndash a dioacuteda soros ellenaacutellaacutesa e ndash az

elektron toumllteacutese 21divide=n ami a p-n aacutetmenet elteacutereacuteseacutet jellemzi az ideaacutelis modelltől Felteacutetelezve hogy ( ) 1exp gtgtminus sIRVβ (ami elfogadhatoacute felteacutetelezeacutes) az egyenletet differenciaacutelva a koumlvetkező alakot kapjuk

sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)

Mivel β meghataacuterozhatoacute az 5 aacutebra eacutes a (8) egyenlet segiacutetseacutegeacutevel iacutegy koumlnnyen kiszaacutemiacutethatoacute a dioacuteda soros ellenaacutellaacutesa Joacutel laacutethatoacute hogy a leacutezerdioacuteda kuumlszoumlbaacuterama egybeesik a IdVdI fuumlggveacuteny toumlreacutespontjaacuteval ami a p-n aacutetmeneten meacutert feszuumlltseacuteg kuumlszoumlbaacuteramnaacutel toumlrteacutenő megtorpanaacutesaacuteval magyaraacutezhatoacute A jelenseacuteg egy maacutesik eacutertelmezeacutese hogy kuumlszoumlbaacuteramnaacutel az elektromos energiaacutenak nagy reacutesze sugaacuterzaacutes formaacutejaacuteban kezd felszabadulni tehaacutet a dioacuteda ellenaacutellaacutesaacutenak csoumlkkennie kell

β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L

Spontaacuten emisszioacute

Stimulaacutelt emisszioacute

Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)

5 aacutebra Tipikus L-I IdVdI fuumlggeacutesek

feacutelvezető leacutezer eseteacuten


9

Az I-V fuumlggeacuteseacuten tuacutelmenően minket az elektromos eacutes optikai parameacuteterek koumlzoumltti kapcsolat is eacuterdekel A legegyszerűbb ezek koumlzuumll (de a legfontosabb) a fent emliacutetett teljesiacutetmeacuteny ndash aacuteram oumlsszefuumlggeacutes (L-I 5 aacutebra) Azon tuacutelmenően hogy meghataacuterozza a leacutezer-effektus kuumlszoumlbeacuterteacutekeacutet a kimenő sugaacuterzaacutes eacutes injektaacutelt aacuteram viszonyaacuteboacutel megaacutellapiacutethatoacutevaacute teszi a differenciaacutelis kuumllső kvantumhataacutesfokot ( Dη ) vagyis az IL minus meredekseacutegeacutet [4]

dIdL

he

D νη = (10)

ahol e ndash elektron toumllteacutes hν - kisugaacuterzott foton energia

A leacutezerek vizsgaacutelataacutenaacutel nagy jelentőseacutege van a stimulaacutelt eacutes a spontaacuten

sugaacuterzaacutes spektrumaacutenak valamint e parameacuteterek aacuteramsűrűseacutegtől valoacute fuumlggeacutese ismereteacutenek ami az elektronok eacutes lyukak kvaacutezi-Fermi szintek koumlzti taacutevolsaacutegaacuteval (EFc -EFv) egyeacutertelműen determinaacutelva van Mint ismeretes a stimulaacutelt eacutes spontaacuten sugaacuterzaacutes eacutes az (EFc -EFv) koumlzoumltt szoros kapcsolat van Ezt a kapcsolatot az anyag optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezőjeacutevel (gain) iacuterhatjuk le (gmat(Iλ)) amely egyike a leacutezerstruktuacuteraacutek legfontosabb parameacutetereinek [4] Az anyag optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezője a saacutevok koumlzti stimulaacutelt rekombinaacutecioacute eacutes elnyeleacutes oumlsszhataacutesaacutet foglalja magaacuteban eacutes fuumlgg a tanulmaacutenyozott feacutelvezető anyag tulajdonsaacutegaitoacutel a leacutezerdioacuteda feleacutepiacuteteacuteseacutetől (leacutenyeges hogy adott esetben egyszerű homo- hetero- vagy kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-struktuacuteraacuteroacutel van szoacute) az aacuteramsűrűseacutegtől valamint a hullaacutemhossztoacutel azaz a fotonok energiaacutejaacutetoacutel [49] Kis szintű toumllteacuteshordozoacute injekcioacutenaacutel (vagyis alacsony aacuteramsűrűseacutegneacutel) a gmat(Iλ) negatiacutev eacuterteacutekű ami elnyeleacutest jelent viszont magasabb injekcioacutenaacutel maacuter pozitiacutev is lehet ami optikai erősiacuteteacutest mutat Abban az esetben ha gmat(Iλ) eleacuteri a nullaacutet az anyag aacutetlaacutetszoacutesaacutegaacutenak aacuteramsűrűseacutegeacuteről beszeacutelhetuumlnk (Jtr) [9] ami a sugaacuterzaacutesnak adott λ hullaacutemhossz mellett az anyagon intenzitaacutesvaacuteltozaacutes neacutelkuumlli aacutethaladaacutesaacutet jelenti Mivel a kvaacutezi-Fermi szintek koumlzti energiareacutes ilyen esetben eacuteppen egyenlő a tiltott saacutevval az Eg pontos megaacutellapiacutetaacutesaacutehoz eleacutegseacuteges ismerni a Jtr A kuumlszoumlbaacuteramnaacutel viszont az erősiacuteteacutesi teacutenyező eleacuteri a maximumot (gmax(Iλ)) eacutes a tovaacutebbi toumllteacutes injekcioacutetoacutel fuumlggetlenuumll megtorpan egy adott szinten [4]

Mivel a feacutelvezető anyagok messze nem biacuternak ideaacutelis optikai

tulajdonsaacutegokkal szaacutemolni kell az optikai veszteseacutegekkel (α) Leacutezerdioacutedaacutek eseteacuteben ez alatt a belső αi (elnyeleacutes az aktiacutev reacuteteg belső hibahelyein (αiar) eacutes a fedőreacutetegben (αiwg)) valamint a kuumllső αr (a tuumlkroumlkoumln taacutevozoacute feacuteny) veszteseacutegeket eacutertjuumlk


10

A leacutezerstruktuacutera teacutenyleges moacutedus optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezője (gnet) az alaacutebbi moacutedon hataacuterozhatoacute meg [4]

( ) ( ) 1 riwgiarmatnet gg ααα minusΓminusminusminusΓ= (11)

ahol Ω- az elektromaacutegneses hullaacutem energiaacutejaacutenak azon reacutesze amely az aktiacutev reacutetegben terjed (3b aacutebra) (Ω- az aktiacutev reacuteteg eacutes az oacutet hataacuteroloacute reacuteteg koumlzti toumlreacutesmutatoacute-kuumlloumlnbseacutegből az elektromaacutegneses hullaacutem hosszaacutetoacutel valamint az aktiacutev reacutetegek szaacutemaacutetoacutel geometriaacutejaacutetoacutel eacutes elhelyezkedeacuteseacutetől fuumlgg) [49] αr - veszteseacuteg a tuumlkroumlkoumln melynek eacuterteacutekeacutet a koumlvetkező moacutedon aacutellapiacutethatjuk meg [4]

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)

(Lr - a rezonaacutetor hossza Rj - a tuumlkroumlk refrakcioacutes teacutenyezője) A kuumllső kvantumhataacutesfokot tekintve szoros kapcsolat iacuterhatoacute fel az előbbi parameacuteterekkel

1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)

ahol ηi - belső sugaacuterzaacutesos kvantumhataacutesfok [4]

A gnet (valamint a gmat ha ismert az αi eacutes Ω) meghataacuterozaacutesaacutera toumlbb moacutedszer leacutetezik Az egyik legelterjedtebb eacutes legegyszerűbb a Hakki-Paoli eljaacuteraacutes [10] mellyel a leacutezerdioacuteda spektrumaacutenak szomszeacutedos maximum (P+) eacutes minimum (P-) pontjainak intenzitaacutes viszonyaacuteboacutel hataacuterozhatjuk meg a gnet eacutes gmat (6aacutebra) eacuterteacutekeacutet a kuumlszoumlbaacuteram koumlzeleacuteben

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP

RRLgg imatnet αλ (14)

Szuumlkseacuteges meacuteg megemliacutetenuumlnk hogy ezen egyenlet csak egymoacutedusuacute leacutezerek eseteacuteben eacuterveacutenyes illetve akkor ha biztosak vagyunk abban hogy csak hosszanti moacutedusok terjednek a rezonaacutetorban [4] Azt hogy hosszanti moacutedusokkal van dolgunk a moacutedusok egymaacutestoacutel valoacute taacutevolsaacutegaacuteboacutel lehet megaacutellapiacutetani amihez azonban szuumlkseacuteges az effektiacutev toumlreacutesmutatoacute (nef) ismerete Egymoacutedusuacute leacutezerneacutel


11

(vagy biztosan hosszanti moacutedusoknaacutel) a Fabry-Perot rezonaacutetor eseteacuteben az nef a koumlvetkező egyenletből szaacutemolhatoacute ki (6 aacutebra) [1]

2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)

ahol Δλ a moacutedusok koumlzti taacutevolsaacuteg

A fentiek alapjaacuten megaacutellapiacutethatjuk hogy maacuter viszonylag egyszerű kiacuteseacuterleti moacutedszerekkel vizsgaacutelhatoacute a leacutezerdioacuteda toumlbb fontos parameacutetere E parameacuteterek eacutes a

leacutezerdioacuteda műkoumldeacutesi elveacutenek ismerete szaacutemos informaacutecioacutet szolgaacuteltat a leacutezer-struktuacuteraacuteban veacutegbemenő folyamatokroacutel eacutes elősegiacuteti a feacutelvezetők jellemzőinek tanulmaacutenyozaacutesaacutet kuumlloumlnoumlsen ha a meacutereacuteseket a p-T diagram meghataacuterozaacutesa uacutetjaacuten veacutegezzuumlk

Az eddigiek soraacuten emliacutetett eacutes e munkaacuteban vizsgaacutelt parameacuteterek

termeacuteszetesen nem fedik le teljes meacuterteacutekben az oumlsszes tanulmaacutenyozhatoacute fizikai jelenseacuteget a feacutelvezető leacutezer-struktuacuteraacutekban de pontos keacutepet adhatnak egyes a fentiekben is emliacutetett folyamatokroacutel Szuumlkseacuteges kiemelni hogy a leacutezerek leacutetrehozaacutesa fejleszteacutese tulajdonkeacuteppen harc a leacutezereffektusra kaacuteros jelenseacutegekkel szemben (veszteseacutegek) amelyek a stimulaacutelt emisszioacute csoumlkkeneacuteseacutehez vezetnek Maga a feacutelvezető leacutezerfizika eacuteppen e kaacuteros effektusok tanulmaacutenyozaacutesaacutera kikuumlszoumlboumlleacuteseacutere fordiacutetja a legtoumlbb figyelmet

820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)

6 aacutebra 840 nm-en vilaacutegiacutetoacute GaAsAlGaAs (az egyik munkaacutem soraacuten tanulmaacutenyozott struktuacutera) alapuacute leacutezerdioacuteda spektruma (kuumlloumlnboumlző felbontaacutessal) kuumlszoumlbaacuteram koumlzeleacuteben

(laacutethatoacute a Fabry-Perot rezonaacutetor szerepe a moacutedusstruktuacuteraacuteban) Δλ ndash moacutedus koumlzti taacutevolsaacuteg P+ P- ndash a spektrum szomszeacutedos maximuma eacutes minimuma


12

Leacutezerek eseteacuten a kaacuteros veszteseacutegek keacutet fő csoportra oszthatoacutek elektromos

eacutes optikai veszteseacutegekre Az elektromos veszteseacutegek neacutegy fő oumlsszetevőből aacutellnak

1) a toumllteacuteshordozoacutek elnyelődeacutese a leacutezerstruktuacutera hibahelyein (ShockleyndashHallndashRead rekombinaacutecioacute ndash SHR [1]) ezeacutert van nagy jelentőseacutege a feacutelvezetők minőseacutegeacutenek amely fuumlgg az előaacutelliacutetaacutesnoumlveszteacutes folyamataacutetoacutel eacutes joacute minőseacutegű struktuacuteraacutenaacutel elhanyagolhatoacute

2) a leacutezerstruktuacutera nem homogeacuten (kuumlloumlnboumlző reacutetegek oumlsszesseacutege) ezeacutert jelen

lehet belső elektromos teacuter amely szeacutetvaacutelasztja a rekombinaacutecioacutes folyamatokban szereplő elektron-lyuk paacuterokat (Staacuterk-effektus) csoumlkkentve ezaacuteltal a rekombinaacutecioacute valoacutesziacutenűseacutegeacutet [1112]

3) mivel az aktiacutev reacuteteg aacuteltalaacuteban nagyon veacutekony (kuumlloumlnoumlsen a kvantum-

struktuacuteraacutekban) a toumllteacuteshordozoacutek (főleg az elektronok) nagy mozgeacutekonysaacuteguk eredmeacutenyekeacuteppen kiaacuteramolhatnak kiszoumlkhetnek belőle (gyakran ez egyike a legkaacuterosabb jelenseacutegeknek a leacutezereffektus szempontjaacuteboacutel 7a aacutebra) E kiaacuteramlaacutes lehet mind diffuacutezioacute mind pedig belső elektromos teacuter aacuteltal stimulaacutelt sodroacutedaacutes (drift) jellegű is [13-16] A 4 eacutes 7a aacutebraacutek sematikusan aacutebraacutezoljaacutek a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr- leacutezerstruktuacutera energia saacutevdiagramjaacutet eacutes e struktuacuteraacuteban veacutegbemenő sugaacuterzaacutesos eacutes kiaacuteramlaacutesi folyamatokat (7b aacutebra [16])

ΔE

hν

Jteljes

Jteljes

Jkiaacuteramlaacutes

Jrekomb

Jteljes-rekomb=Jsugaacuter

EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v

7 aacutebra a) elektronkiaacuteramlaacutes az aktiacutev reacutetegből eacutes az aktiacutev reacutetegen kiacutevuumlli rekombinaacutecioacute ΔE ΔE - energiagaacutetak amelyekkel az elektronoknak meg kell birkoacutezniuk a kiaacuteramlaacutes eacuterdekeacuteben a hataacuteroloacute (ΔE) eacutes fedőreacutetegekbe (ΔE) (sematikus aacutebra) b) reaacutelis heterostruktuacuteraacutes leacutezer saacutevszerkezete [16]


13

4) kaacuteros sugaacuterzaacutesmentes rekombinaacutecioacutes folyamatok amelyek koumlzuumll a legfontosabb szerepe a nem sugaacuterzaacutesos Auger-effektusnak van (8 aacutebra) [17-22]

A kaacuteros optikai veszteseacutegek a feacutenynek az aktiacutev reacutetegben (vagy azon kiacutevuumll) előforduloacute hibahelyeken toumlrteacutenő szoacuteroacutedaacutesa eacutes a hullaacutem szabad toumllteacuteshordozoacutekon toumlrteacutenő elnyelődeacutese miatt koumlvetkeznek be Ha mennyiseacutegileg akarjuk oumlsszegezni a legjelentősebb toumllteacuteshordozoacute veszteseacutegeket akkor ezt aacuteram-veszteseacutegkeacutent lehet elkoumlnyvelni amit kuumlszoumlbaacuteramnaacutel a koumlvetkező egyenlettel lehet leiacuterni [23]

( ) Lthththth ICNBNANeLI +++= 32 (16) ahol e - elektron toumllteacutese L - aktiacutev reacuteteg vastagsaacutega IL - kiaacuteramlaacutesi aacuteram oumlsszetevő Nth - aacuteramhordozoacute koncentraacutecioacute az ANth - a belső (SHR) elnyeleacutest 2

thBN - a

spontaacuten rekombinaacutecioacutet 3thCN - az Auger-rekombinaacutecioacutet keacutepviseli (ABC ndash

gyakorlatban a toumllteacuteshordozoacutek koncentraacutecioacutejaacutetoacutel fuumlggetlen aacutellandoacutek) Peacuteldaacuteul a direkt CHCC CHSH Auger-folyamatok eseteacuteben C (16 egyenletben) a koumlvetkező fuumlggveacutennyel iacuterhatoacute le [19]

Sugaacuterzaacutesmentes Auger-rekombinaacutecioacute C

H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH

Sugaacuterzaacutesmentes fonon asszisztaacutelt Auger rekombinaacutecioacute

C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH

8 aacutebra Auger rekombinaacutecioacute tiacutepusai


14

( )TkECC ba exp0 minus= (17) ahol C0 - aacutellandoacute Ea - aktivaacutecioacutes energia amelyek a konkreacutet Auger-folyamatot jellemzik kb - Boltsmann aacutellandoacute T - abszoluacutet hőmeacuterseacuteklet

33 AIIIBV feacutelvezető anyagok fizikai tulajdonsaacutegai eacutes alkalmazaacutesuk a leacutezertechnikaacuteban

A leacutezerdioacuteda megeacutepiacuteteacutesekor a legfontosabb teacutenyező a feacutelvezető anyagok

megfelelő kivaacutelasztaacutesa Haacuterom fő szempontot kell kiemelnuumlnk 1) az aktiacutev reacuteteg tiltottsaacutevja meghataacuterozza a kisugaacuterzott feacuteny

hullaacutemhosszaacutet 2) a feacutelvezető alapanyagok raacutecsaacutellandoacutejaacutenak lehetőleg koumlzel kell lennie

egymaacuteshoz 3) a felhasznaacutelt feacutelvezető anyagok lehetnek direkt vagy indirekt

saacutevszerkezetűek de magaacutenak az optikailag aktiacutev reacuteteg alapanyagaacutenak direkt saacutevszerkezetűnek kell lennie

A ma hasznaacutelt leacutezerdioacutedaacutek tuacutelnyomoacute toumlbbseacutege AIIIBV alapuacute feacutelvezetők felhasznaacutelaacutesaacuteval keacuteszuumll A leginkaacutebb elterjedt eacutes az alapkutataacutesok soraacuten is a legnagyobb figyelmet kapott anyagok a Ga Al In N As P Sb alapuacute vegyuumlletek A 9 eacutes 10 aacutebraacuten laacutethatoacute a leacutezerdioacuteda tervezeacuteseacuteneacutel a keacutet legfontosabb szerepet jaacutetszoacute parameacuteter a tiltott saacutev (Eg) eacutes a raacutecsaacutellandoacute eacuterteacutekeacutenek vaacuteltozaacutesa kuumlloumlnboumlző


15

oumlsszeteacutetelű anyagok eseteacuten Ismertek meacuteg a AIVBVI alapuacute leacutezerstruktuacuteraacutek is (PbS PbTe PbSe) ezek kisugaacuterzott feacutenyeacutenek hullaacutemhossza a taacutevoli infravoumlroumls tartomaacutenyba esik

A leacutezertechnikaacuteban hasznaacutelt feacutelvezetők toumlbbseacutege direkt saacutevszerkezetű (baacuter

szerkezeti elemkeacutent alkalmazhatoacute az indirekt feacutelvezető is) Ennek az a magyaraacutezata hogy a direkt saacutevszerkezetű feacutelvezetőkneacutel a feacutenykisugaacuterzaacutessal egyuumltt jaacuteroacute saacutevkoumlzi aacutetmenet valoacutesziacutenűseacutege joacuteval nagyobb (elsőrendű) mint az indirekt feacutelvezetőkneacutel amelyekneacutel a feacutenykisugaacuterzaacutes csak fonon koumlzreműkoumldeacuteseacutevel lehetseacuteges (ezeacutert maacutesodrendű) Ezenkiacutevuumll az indirekt feacutelvezetőkneacutel a pumpaacutelaacutesi szint noumlvekedeacuteseacutenek fuumlggveacutenyeacuteben az elnyeleacutes az injektaacutelt szabad toumllteacuteshordozoacutekon gyorsabban noumlvekszik mint az anyag optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezője [34]

A leacutezerdioacuteda feleacutepiacuteteacuteseacutenek struktuacuteraacuteja meghataacuterozza a kibocsaacutetandoacute feacuteny

hullaacutemhosszaacutet ami lehetőseacuteget biztosiacutet az alapszerkezet-megaacutellapiacutetaacutesra melyre vonatkozoacute tapasztalati oumlsszefuumlggeacutesek joacutel ismertek Ezen oumlsszefuumlggeacutesek egyik fő koumlvetelmeacutenye hogy a dioacutedaacutet feleacutepiacutető anyagok raacutecsaacutellandoacuteja koumlzel azonos legyen ami elengedhetetlen a belső feszuumlltseacutegek csoumlkkenteacutese eacuterdekeacuteben A feacutelvezetők eseteacuteben ismert empirikus oumlsszefuumlggeacutes (Moss-toumlrveacuteny 774 =gEn eacuterveacutenyes

abban az esetben ha 40030 4 lele n ) [1] megkoumlnnyiacuteti a hullaacutemvezeteacutesi effektus biztosiacutetaacutesaacutet maacuter a heteroszerkezetű struktuacuteraacuteknaacutel is Ez azzal magyaraacutezhatoacute hogy az aktiacutev reacuteteg tiltottsaacutev-szeacutelesseacutege kisebb az őt koumlruumllvevő reacutetegekneacutel eacutes iacutegy nagyobb a toumlreacutesmutatoacuteja Ugyanez jellemző a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutekra is mivel a kvantumgoumldoumlr anyaga mindig kisebb tiltott saacutevszeacutelesseacuteggel rendelkezik mint az őt hataacuteroloacute reacutetegek (gaacutetak) anyaga (24 aacutebra)

34 Kuumllső teacutenyezők hataacutesa a feacutelvezető leacutezerstruktuacuteraacutera

Az injekcioacutes feacutelvezető leacutezerek fő parameacuteterei (kisugaacuterzott hullaacutemhossz kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg hataacutesfok stb) fuumlggnek a belső feleacutepiacuteteacutestől (anyag struktuacutera) eacutes a kuumllső teacutenyezőktől A gyakorlatban toumlbb kuumlloumlnboumlző tiacutepusuacute kuumllső hataacutes eacuterveacutenyesuumllhet Ezek koumlzuumll a koumlvetkezőket szuumlkseacuteges kiemelni 1) hőmeacuterseacuteklet 2) injektaacutelt aacuteramsűrűseacuteg 3) nyomaacutes 4) maacutegneses teacuter hataacutesa 5) kuumllső rezonaacutetor

A hőmeacuterseacuteklet jelentősen befolyaacutesolja a feacutelvezetők tiltottsaacutev-szeacutelesseacutegeacutet

(Eg) AIIIBV tiacutepusuacute feacutelvezetők eseteacuten ez a fuumlggeacutes a koumlvetkezőkeacuteppen iacuterhatoacute le [1]


16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)

ahol α θ - empirikus parameacuteterek (θ - a Debye koumlzeli hőmeacuterseacutekletnek felel meg) Az oumlsszefuumlggeacutesből laacutetszik hogy a hőmeacuterseacuteklet csoumlkkeneacuteseacutevel a tiltott saacutev szeacutelesseacutege nő aacutetlagban ez a vaacuteltozaacutes maximaacutelisan 10-ot tesz ki 0K eacutes szobahőmeacuterseacuteklet koumlzoumltt A hőmeacuterseacuteklet ezen tuacutel jelentősen befolyaacutesolja az optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezőt is noumlvekedeacuteseacutevel az utoacutebbi eacuterteacuteke csoumlkken vagyis a kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg noumlvekszik eacutes az optikai erősiacuteteacutesi egyuumltthatoacute goumlrbe maximuma a nagyobb hullaacutemhossz iraacutenyaacuteba toloacutedik el Fontos megemliacuteteni azt a teacutenyt is hogy a hőmeacuterseacuteklet noumlvekedeacuteseacutevel nő az aacuteramhordozoacutek kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből nő az abszorpcioacute a szabad aacuteramhordozoacutekon valamint nő az anyag toumlreacutesmutatoacuteja ami a kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg noumlvekedeacuteseacutet eredmeacutenyezi [25]

A gyakorlat azt mutatja hogy a hőmeacuterseacuteklet eacutes a kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg koumlzoumltt exponenciaacutelis fuumlggőseacuteg van [25]

( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)

ahol Jth ndash kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg 0thT hőmeacuterseacutekleten T0 - karakterisztikus hőmeacuterseacuteklet Mineacutel nagyobb a T0 annaacutel keveacutesbeacute eacuterzeacutekeny a hőmeacuterseacuteklet vaacuteltozaacutesaacutera a kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg

Viszonylag kisebb meacuterteacutekű jelentőseacutege van a hőmeacuterseacuteklet hataacutesaacutenak a rezonaacutetor hosszaacutera baacuter figyelembe veacuteve a leacutezerstruktuacutera toumlreacutesmutatoacutejaacutenak a vaacuteltozaacutesaacutet ez moacutedusvaacuteltaacutest eredmeacutenyezhet [1]

Az injektaacutelt aacuteram sűrűseacutegeacutenek hataacutesa a leacutezerstruktuacuteraacutera szinteacuten toumlbb

oumlsszetevőből aacutell de itt is főleg a hőeffektus dominaacutel Az aacuteram sűrűseacutegeacutenek noumlvekedeacutese egyreacuteszt az Eg csoumlkkeneacuteseacutet (hőeffektus miatt) eredmeacutenyezi (ami a sugaacuterzaacutes eltoloacutedaacutesaacutet a hosszabb hullaacutemok iraacutenyaacuteba valamint a toumlreacutesmutatoacute noumlvekedeacuteseacutet vonja maga utaacuten) Maacutesreacuteszt az injektaacutelt elektronok eacutes lyukak koncentraacutecioacutejaacutenak noumlvekedeacutese koumlzvetlenuumll ellenteacutetes effektust vaacutelt ki ndash toumlreacutesmutatoacute-csoumlkkeneacutest [26]

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17

ahol em hm - az elektronok eacutes lyukak effektiacutev toumlmege N P - az elektronok lyukak koncentraacutecioacuteja A toumlreacutesmutatoacute-csoumlkkeneacutes elősegiacuteti a sugaacuterzaacutes hullaacutemhosszaacutenak eltoloacutedaacutesaacutet a roumlvidebb hullaacutemok iraacutenyaacuteba de ez az effektus elhanyagolhatoacute a hő okozta effektushoz keacutepest A keacutet oumlsszetevő szinteacuten kisebb ugraacutesszerű moacutedusvaacuteltaacutest eredmeacutenyezhet

Ha a feacutelvezető leacutezerek hangolhatoacutesaacutegaacutet (hullaacutemhossz vaacuteltoztathatoacutesaacutegaacutet) vesszuumlk figyelembe akkor mennyiseacutegileg talaacuten a legjobb hataacutest a hidrosztatikai nyomaacutes alkalmazaacutesaacuteval lehet eleacuterni Peacuteldaacuteul GaSb alapuacute leacutezerek eseteacuten gyakorlatilag 40-kal meg lehet noumlvelni a kisugaacuterzott fotonok energiaacutejaacutet [27]

Ennek oka hogy a hidrosztatikai nyomaacutes alkalmazaacutesaacuteval a feacutelvezető anyag raacutecsaacutellandoacutejaacutet (vagyis az atomok koumlzti taacutevolsaacutegot) csoumlkkentjuumlk ami Eg vaacuteltozaacutest eredmeacutenyez [1] Termeacuteszetesen e hataacutes eleacutereacuteseacutehez magas toumlbb ezer atmoszfeacutera nyomaacutes szuumlkseacuteges Az Eg eacuterteacutekeacutenek a raacutecsaacutellandoacutetoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutet a 11 aacutebra mutatja Mint laacutethatoacute mineacutel koumlzelebb keruumllnek az atomok egymaacuteshoz annaacutel nagyobb az energiareacutes a megengedett energiasaacutevok koumlzt (ez jellemzi a AIIIBV alapuacute feacutelvezető struktuacuteraacutekat) Ugyanakkor lehet fordiacutetott is az effektus peacuteldaacuteul PbSe vagyis AIVBVI alapuacute struktuacuteraacutenaacutel [1]

Az anyagok kuumlloumlnboumlző kemeacutenyseacutege miatt kuumlloumlnboumlző feacutelvezetők eseteacuteben a raacutecsaacutellandoacute (a) nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese maacutes eacutes maacutes lehet Ugyanakkor a lineaacuteris meacuteret (L) vaacuteltozaacutesa a hidrosztatikai nyomaacutes (P) hataacutesaacutera aacuteltalaacutenosan a koumlvetkezőkeacuteppen iacuterhatoacute le [1]

Eg

Raacutecsaacutellandoacute

Elek

tron

ener

gia

Atomok koumlzoumltti taacutevolsaacuteg

Koumlteacutesi energia

8N aacutellapot4N elektron

6N aacutellapot (2p) 2N elektron

4N aacutelapot 0 elektron

4N allapot4N elektron

2N aacutellapot (2s) 2N elektron

11 aacutebra Elektronok energiaacutejaacutenak az atomok koumlzti taacutevolsaacutegtoacutel valoacute fuumlggeacutese (gyeacutemaacutent)

[10]


18

( ) constLdPdL == 3 σ (21)

ahol σ ndash teacuterfogati nyomaacutesfuumlggeacutesi teacutenyező A (21) oumlsszefuumlggeacutes az uacutegynevezett toumlmbi teacuterfogat (V) nyomaacutes fuumlggeacuteseacuteből vezethető le [28]

( ) constPdPdV == σ (22)

Tovaacutebbaacute mivel

NaL = (23) ahol N ndash az elemi cellaacutek szaacutema a kivaacutelasztott L iraacutenyban koumlvetkezik hogy

( ) constadPda == 3 σ (24)

Mivel a kristaacutelyokat aacuteltalaacuteban nagy kemeacutenyseacuteg jellemzi a raacutecsaacutellandoacute vaacuteltozaacutesa (∆a) nagysaacutegrendekkel kisebb a raacutecsaacutellandoacutenaacutel

Ugyanazt az eredmeacutenyt kapjuk ha a σ is lineaacuterisan fuumlgg a nyomaacutestoacutel [2829]

( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)

ahol σ0 σ- aacutellandoacute Baacuter ez bonyolultabbaacute teszi a (22) egyenletet [28] a raacutecsaacutellandoacute nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese (24) eacuterveacutenyes marad [28] Nyomaacutes hataacutesaacutera vaacuteltozik a feacutelvezető toumlreacutesmutatoacuteja (n) is melyet az alaacutebbi moacutedom iacuterhatunk le [1]

constdPnd == α)(ln (26)

Az elektronok (lyukak) energiaszintje (E) eacutes a raacutecsaacutellandoacute vaacuteltozaacutesa azaz

a deformaacutecioacute (∆a) koumlzoumltti fuumlggeacutes első koumlzeliacuteteacutesben lineaacuteris lehet [1]

aEE Δ+= γ0 (27) ahol γ - aacutellandoacute mennyiseacuteg E0 - az elektronok (lyukak) energiaszintje 0 baacuter nyomaacuteson Ebből kiindulva a tiltottsaacutev eacuterteacutekeacutenek (ΔEg ) a deformaacutecioacutetoacutel valoacute fuumlggeacutese


19

( ) aE vcg Δ+=Δ γγ (28) ahol γc γv - konstansok amelyek az ΔEc ΔEv vaacuteltozaacutesaacutet hataacuterozzaacutek meg kristaacutelyraacutecs deformaacutecioacute hataacutesaacutera Oumlsszegezve a 23 eacutes a 28 egyenleteket a ΔEg hidrosztatikai nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutet kapjuk

( ) PE vcg Δminus=Δ δδ (29) ahol δc δv - az ΔEc ΔEv vaacuteltozaacutesaacutet hataacuterozzaacutek meg hidrosztatikus nyomaacutes hataacutesaacutera ΔP - a nyomaacutesvaacuteltozaacutes amely egyenlő a nyomaacutessal (P) ha kiinduloacutepontnak a zeacuteroacute nyomaacutest vesszuumlk

Aacuteltalaacutenosabb esetben az Eg nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese bonyolultabb lehet a lineaacuteris (22) megkoumlzeliacuteteacutesneacutel peacuteldaacuteul parabolikus [28]

20 BPAPEE gg ++= (29)

ahol A B - aacutellandoacutek Eg0 - a tiltott saacutev nulla hidrosztatikai nyomaacutesnaacutel

Szuumlkseacuteges meacuteg annak a megemliacuteteacutese hogy δc δv mint pozitiacutev uacutegy negatiacutev is lehet eacutes maacutes δ jellemzi a saacutevszerkezet kuumlloumlnboumlző minimumait eacutes maximumait Ez azt jelenti hogy nyomaacutes (deformaacutecioacute) hataacutesaacutera a feacutelvezető direktből indirektbe alakulhat aacutet (12 aacutebra [30]) vagyis az energiasaacutevok deformaacuteloacutednak Neacutemely esetben a neheacutez eacutes koumlnnyű lyukak energiasaacutevjainak a csuacutecsai felvaacutelthatjaacutek egymaacutest (peacuteldaacuteul egyiraacutenyuacute deformaacuteloacute feszuumlltseacutegek hataacutesaacutera - 13 aacutebra [31]) ami a kisugaacuterzott feacuteny polarizaacutecioacutevaacuteltozaacutesaacutet eredmeacutenyezheti Ez azt jelenti hogy a feacutelvezető anyagaacutenak nem csak mennyiseacutegi de minőseacutegi jellemzői is vaacuteltoznak ami alapjaacuteban moacutedosiacutethatja a leacutezerdioacuteda elektromos eacutes optikai parameacutetereit


20

A maacutegneses teacuter szinteacuten hataacutest fejt ki a leacutezerdioacutedaacutekra (peacuteldaacuteul InSb alapuacute

heterostruktuacuteraacutekra) eacutes Landau-tiacutepusuacute felbomlaacutest kvantaacutelaacutest ideacutez elő a saacutevszerkezetben noumlvelve az energiaszintek betoumlltoumlttseacutegeacutet eacutes szűkiacutetve a spontaacuten sugaacuterzaacutes energiatartomaacutenyaacutet [1] Az eredmeacuteny ndash jelentősen akaacuter a tizedeacutere is csoumlkkenhet a kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg

Nagymeacuterteacutekben befolyaacutesolhatoacute a leacutezersugaacuterzaacutes hullaacutemhossza kuumllső rezonaacutetor

segiacutetseacutegeacutevel Itt keacutet kuumlloumlnboumlző tiacutepusuacute kuumllső rezonaacutetort szuumlkseacuteges megemliacuteteni

E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)

Vezeteacutesi saacutev

Neheacutez lyu kak saacutevja

Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ

Elszakadt spin-paacutelya

12 aacutebra AlGaAs saacutevszerkezet vaacuteltozaacutesa hidrosztatikus nyomaacutes hataacutesaacutera a) 1bar b)

20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E

εxxgt0 εxxlt0 εxx=0

13 aacutebra Egyiraacutenyuacute deformaacuteloacute feszuumlltseacutegek hataacutesa az AIIIBV feacutelvezető saacutevstruktuacuteraacutejaacutera [31]


21

1) tuumlkoumlr rezonaacutetor amely csupaacuten meghosszabbiacutetja a leacutezerdioacuteda sajaacutet belső Fabry-Perot rezonaacutetoraacutenak hosszaacutet szűkiacutetve ezaacuteltal a kisugaacuterzott moacutedushullaacutemhossz tartomaacutenyi szeacutelesseacutegeacutet

2) diszperzioacutes elemet tartalmazoacute rezonaacutetor amely az előbbihez keacutepest

azon kiacutevuumll hogy noumlveli a rezonaacutetor hosszaacutet bizonyos meacuterteacutekben kuumlloumln determinaacutelja a kisugaacuterzott moacutedus hullaacutemhosszaacutet (termeacuteszetesen a pozitiacutev optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező hataacuterain beluumll) A diszperzioacutes elemet tartalmazoacute rezonaacutetornak az egyik legegyszerűbb vaacuteltozata az uacutegynevezett Littrow-rendszer (14 aacutebra [32]) melynek alapja a diffrakcioacutes raacutecs amely a leacutezerdioacuteda aacuteltal kisugaacuterzott feacuteny egy reacuteszeacutet visszaveri a leacutezerdioacuteda tuumlkreacutere A diszperzioacutenak alaacutevetett feacutenysugaacuter csak egy szűk hullaacutemhossztartomaacutenya jut be a leacutezertuumlkroumln keresztuumll az aktiacutev reacutetegbe ezaacuteltal noumlvelve a refrakcioacutes teacutenyezőt ezen a hullaacutemhosszon ami egymoacutedusuacute sugaacuterzaacutest vaacutelthat ki Vaacuteltoztatva a diffrakcioacutes raacutecs szoumlgorientaacutecioacutejaacutet vaacuteltoztatni lehet a moacutedus kiacutevaacutent hullaacutemhosszaacutet

leacutezerlencse

diffrakcioacutes raacutecs

14 aacutebra Diszperzioacutes (diffrakcioacutes raacutecs) elemet tartalmazoacute kuumllső rezonaacutetor Littrow- feacutele rendszerben [32]

Kiacuteseacuterleti rendszerek eacutes moacutedszerek fejleszteacutese

22

IV Kiacuteseacuterleti rendszerek eacutes moacutedszerek fejleszteacutese Az inteacutezetuumlnkben (Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS) folytatott komplex

magasnyomaacutes kutataacutesok eacutes fejleszteacutesek alapjaacutet a gyakran egyedi technika biztosiacutetja Ezeacutert a munkaacutem kiacuteseacuterleti jelleacutegeacutenek megfelelően elsőrendű feladatom volt a magasnyomaacutesuacute optikai rendszerek fejleszteacutese (kifejlesztettem a feacutenyszaacutelat tartalmazoacute rendszert reacuteszt vettem a zafiacuterablak feacutenykivezető rendszer tovaacutebbfejleszteacuteseacuteben gradiens lencse alkalmazaacutesaacuteval) Ezt a koumlvetkezőkben mutatom be A kifejlesztett rendszerek alkalmazaacutesaacuteval folytattam az InGaNGaN AlGaAsAlGaAs InGaAsSbAlGaAsSb (2400nm) GaInNAsGaAs alapuacute struktuacuteraacutek leacutezerstruktuacuteraacutek vizsgaacutelatait magas nyomaacutes alatt illetve reacuteszt vettem az InGaPAlGaInP AlGaAsAlGaAs InGaAsGaAs InGaAsPInP InGaAsSbAlGaAsSb (2300 nm 2500 nm) alapuacute struktuacuteraacutek vizsgaacutelataiban az eredmeacutenyek szaacutemiacutetoacutegeacutepes feldolgozaacutesaacuteban a megfelelő szaacutemiacutetoacutegeacutepes programok fejleszteacuteseacuteben parameacuteterek szaacutemiacutetaacutesaiban Ezekre az V fejezetben teacuterek ki

41 Tanulmaacutenyozott kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek

A tanulmaacutenyozott leacutezerdioacutedaacutekat sugaacuterzaacutesuk hullaacutemhossza vagy alapanyaguk struktuacuteraacuteja szerint osztaacutelyozhatjuk Mint arroacutel koraacutebban maacuter szoacute volt az anyagok eacutes a belőluumlk keacuteszuumllt struktuacutera meghataacuterozza a kisugaacuterzott feacuteny hullaacutemhosszaacutet vagyis a sugaacuterzaacutes hullaacutemhosszaacutenak ismereteacuteből megkoumlzeliacutetőleg megaacutellapiacutethatjuk a leacutezer alapstruktuacuteraacutejaacutet (anyagaacutet) Az aacuteltalaacutenosan elterjedt (toumlbbnyire ismeretlen struktuacuteraacutejuacute) leacutezerek eseteacuteben iacutegy vizsgaacutelhatoacutek azok alaptulajdonsaacutegai Az aacuteltalunk tanulmaacutenyozott leacutezerstruktuacuteraacutek egy reacutesze ugyanakkor ismert volt eacutes ez lehetőseacuteget biztosiacutetott az oumlsszehasonliacutetoacute vizsgaacutelatokra valamint a fizikai jelenseacutegek meacutelyebb tanulmaacutenyozaacutesaacutera Mivel egy-egy a leacutezerdioacutedaacutek műkoumldeacuteseacutet meghataacuterozoacute (kaacuterosan befolyaacutesoloacute) folyamat kiemelten jellemző bizonyos tiacutepusuacute leacutezerdioacutedaacutera a meghataacuterozoacute kiacuteseacuterleteket megfelelő anyagcsoportboacutel keacuteszuumllt leacutezereken veacutegeztuumlk

Meacutereacuteseink szeacuteles hullaacutemhossztartomaacutenyban (400-2500 nm) folytak melyet

hat csoportra eacuterdemes bontani az azokhoz jellemzően tartozoacute leacutezerstruktuacuteraacutekkal egyuumltt (1taacuteblaacutezat) Hullaacutemhossztartomaacuteny

(nm) Alapanyag Gyaacutertoacute

415-425 InGaNGaN IHPP PAS UNIPRESS

635-690 InGaPAlGaInP Kommersz CAO Sanyo Toshiba

780-850 AlGaAsAlGaAs Kommersz SLI Sony


23

Sanyo Hitachi Sigm Plus

980-1020 InGaAsGaAs Kommersz CAO SLI Sigm Plus Roithner ITE

13001550 InGaAsPInP GaInNAsGaAs

Kommersz CAO Siemens

2300-2500 InGaAsSbAlGaAsSb Universiteacute Montpellier CEM2

1 taacuteblaacutezat Vizsgaacutelt leacutezerek csoportosiacutetaacutesa a kisugaacuterzott hullaacutemhosszuk

alapstruktuacuteraacutejuk eacutes gyaacutertoacutejuk szerint

bull InGaNGaN alapuacute leacutezerdioacutedaacutek

A GaN alapuacute leacutezerdioacuteda a Varsoacutei Magasnyomaacutesuacute Kutatoacute Inteacutezet (IHPP PAS UNIPRESS) termeacuteke eacutes az első olyan tiacutepusuacute leacutezer amelynek hordozoacuteja toumlmbi GaN kristaacutely A leacutezerstruktuacutera noumlveszteacutese feacutem-organikus keacutemiai gőzfaacutezisuacute levaacutelasztaacutessal toumlrteacutent (MOCVD) Az alapul szolgaacuteloacute magas hidrosztatikai nyomaacutes alatt noumlvesztett toumlmbi GaN kristaacutely szinteacuten ennek az inteacutezetnek a termeacuteke Keacutet tiacutepusuacute toumlbb kvantumgoumldroumls (MQW) leacutezerstruktuacuteraacutet vizsgaacuteltam [33 34] 1) LD1 - nem adaleacutekolt gaacutettal (QB) (15a aacutebra) 2) LD2 ndash Si-adaleacutekolt gaacutettal rendelkező (donor koncentraacutecioacute 1019cm-3) (15b aacutebra) Mindkeacutet struktuacutera hasonloacute feleacutepiacuteteacutesű 5 kvantum goumldoumlr-gaacutet szuperraacutecsos aktiacutev reacuteteg a p-oldalon elektron blokkoloacute reacuteteg az aktiacutev eacutes elektronblokkoloacute reacutetegeket hataacuteroloacute reacutetegek ndash Si- (n-oldal) eacutes Mg- (p-oldal) adaleacutekolt GaN fedőreacuteteg ndash adaleacutekolt GaNAlGaN szuperraacutecs A rezonaacutetor hossza 500 μm az aktiacutev reacuteteg szeacutelesseacutege 15 μm Mindkeacutet leacutezerstruktuacutera eseteacuteben a kuumlszoumlbaacuteram (impulzus aacuteram P=1 baacuter T=300K) ndash 1 A koumlruumlli kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg ndash 12 kAcm2 koumlruumlli (impulzus aacuteram P=1 baacuter T=300K) [33 34] A kisugaacuterzott hullaacutemhossz LD1 tiacutepus eseteacuten 421 nm (294 eV) LD2 leacutezerneacutel pedig 416 nm (298eV) A leacutezerek toumlbb moacutedusuacuteak Szereleacutesuumlk ezuumlstpasztaacuteval toumlrteacutent reacutez hővezető toumlnkre p-oldallal felfeleacute


24

bull GaInPAlGaInP alapuacute leacutezerdioacutedaacutek

CAO (USA) Sanyo Toshiba (Japaacuten) Osram (Neacutemetorszaacuteg) ceacutegek gyaacutertmaacutenyai Pontos alapstruktuacuteraacutejuk ismeretlen

bull AlGaAsAlGaAs alapuacute leacutezerdioacutedaacutek

SLI (USA) SONY SANYO HITACHI (Japaacuten) ceacutegek gyaacutertmaacutenyai Pontos alapstruktuacuteraacutejuk ismeretlen

Ismert a Sigma Plus gyaacutertmaacutenyuacute leacutezerek feleacutepiacuteteacutese amelyek gyaacutertaacutesa feacutemorganikus gaacutezfaacutezisuacute noumlveszteacutessel (MOCVD) toumlrteacutent A struktuacutera alapja a GaAsSi (100) n-tiacutepusuacute hordozoacute

LD3 [35] (16a aacutebra) ndash egymoacutedusuacute 790 nm-en vilaacutegiacutetoacute dioacuteda amely

alapja egy 9 nm vastagsaacuteguacute Al013Ga087As kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr (nem adaleacutekolt) Mindkeacutet oldalon 110 nm-es AlxGa1-xAs kvantumpotenciaacutel-gaacutet (x=45-63) talaacutelhatoacute (nem adaleacutekolt) A fedőreacutetegek 15 microm n(Si)- eacutes p(Zn)- tiacutepusuacute Al063Ga037As-ből vannak (az adaleacutekszint 1middot1018 cm-3) A p-tiacutepusuacute kontaktus reacuteteg 300 nm vastagsaacuteguacute GaAsZn ennek adaleacutekszintje 2middot1018cm-3 A dioacuteda kuumlszoumlbaacuterama 30 mA P=1baacuter nyomaacuteson eacutes T=300K hőmeacuterseacuteklet mellett

Elektronblokkoloacute reacuteteg Al030Ga070NMg 12nm

5 (QWQB) QW ndash In 009Ga091N 41 nm QB ndash In 002Ga098N 105nm

Szuperraacutecs 80(GaNMg Al 01 Ga 09NMg)(25A 25A)400nm

Szuperraacutecs 110(Al 01 Ga09N SiGaNSi) (25A 25A)

GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm

n QB 100nm GaNSi (50nm) +

In 002 GaNSi (50nm)


5 (QWQB) QW ndash In009Ga091N 4 nm QB ndash In002Ga098NSi (1019cm-3 ) 8nm

Szuperraacutecs 80(GaNMg Al015GaNMg)(25A 25A) 400nm

Szuperraacutecs 110(Al016GaN SiGaNSi)(25A 25A) 550nm

GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm

n- QB 100nmGaNSi (50nm) + In002GaNSi (50nm)

a) LD1 b) LD2

15 aacutebra InGaNGaN alapuacute leacutezerstruktuacutera a) nem adaleacutekolt b) Si adaleacutekolt gaacutettal


25

LD4 [35] (16b aacutebra) ndash egymoacutedusuacute 850nm-en vilaacutegiacutetoacute struktuacutera Feleacutepiacuteteacutese egy 9 nm vastagsaacuteguacute GaAs kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr (nem adaleacutekolt) Mindkeacutet oldalaacuten 100 nm Al044Ga056As kvantumpotenciaacutel-gaacutet (nem adaleacutekolt) Fedőreacutetegek 15 microm n(Si)- eacutes p(Zn)- adaleacutekolt Al062Ga038As A leacutezer kuumlszoumlbaacuterama 22mA (P=1baacuter T=300K)

bull InGaAsGaAs alapuacute leacutezerdioacutedaacutek

CAO SLI Roithner Sigma Plus ceacutegek termeacutekei Pontos alapstruktuacuteraacutejuk ismeretlen

bull InGaAsPInP alapuacute leacutezerdioacutedaacutek

CAO Siemens termeacutekei Pontos alapstruktuacuteraacutejuk ismeretlen

bull GaInNAsGaAs alapuacute leacutezerdioacuteda

fedőreacuteteg Al 063Ga 037As n (Si) ( 1middot1018 cm-3) 1500nm

QB gradiens AlxGa1-x As 110nm

QW Al013Ga087As 9nm


fedőreacuteteg Al 063Ga 037As p (Zn)( 1middot1018 cm-3) 1500nm

Kontaktus reacuteteg GaAsZn - p 300nm

fedőreacuteteg Al062GA038As n (S i) (1middot1018cm-3)- 1500nm

QB Al044GA056As 130nm

QW GaAs 9nm

fedőreacuteteg Al062GA038As p (Zn) ( 1middot1018cm-3) 1500nm


a) LD3 b) LD4

16 aacutebra AlGaAsAlGaAs alapuacute Sigma Plus gyaacutertmaacutenyuacute leacutezerdioacuteda a) 790nm b) 850 nm-en vilaacutegiacutetoacute struktuacuteraacutek


26

LD5 [36] (17a aacutebra) ndash GaInNAsGaAs alapuacute n- tiacutepusuacute GaAs hordozoacutera molekulasugaras epitaxiaacuteval (MBE) noumlvesztett leacutezerdioacuteda Egymoacutedusuacute 1340 nm-

en vilaacutegiacutetoacute struktuacutera Feleacutepiacuteteacutese haacuterom Ga067In033N002As098 kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr (67 nm) keacutet nem adaleacutekolt 20 nm-es GaAs gaacutet e struktuacuteraacutet mindkeacutet oldalon 130 nm GaAs kvantumpotenciaacutel-gaacutet szegeacutelyezi (szinteacuten nem adaleacutekoumllt) Fedőreacutetegek Al037Ga063As n-tiacutepus (2microm) Si adaleacutekolt (adaleacutekszint 1middot1018 cm-3) p-tiacutepus (125 microm) Be- adaleacutekolt (adaleacutekszint 5middot1017 cm-3) A p-tiacutepusuacute kontaktusreacuteteg 200 nm vastagsaacuteguacute Be-adaleacutekolt (1middot1019 cm-3) GaAs Az n-tiacutepusuacute kontaktusreacuteteg 200 nm vastagsaacuteguacute Siacute-adaleacutekolt (2middot1018 cm-3) GaAs Kuumlszoumlbaacuteram 80 mA (P=1 baacuter T=300K)

bull GaInAsSbAlGaAsSb alapuacute leacutezerdioacutedaacutek

Ez a leacutezertiacutepus molekulasugaras epitaxiaacuteval RIBBER Compact 21E

berendezeacutes segiacutetseacutegeacutevel keacuteszuumllt a Montpellieri Egyetem II CEM2 laboratoacuteriumaacuteban A noumlveszteacutes toumlmbi GaSb-ra toumlrteacutent (n-tiacutepus (100) orientaacutecioacuteval)

fedőreacuteteg Al 037Ga063As Be (p-tipus ) 1250nm QB GaAs 130nm QW Ga 067In033N002As098 67nm

QB GaAs 20nm

QW Ga 067In033N002As098 67nm QB GaAs 20nm QW Ga 067In033N002As098 67nm QB GaAs 130nm fedőreteg Al037Ga063As Si (n-tipus) 2000nm

Toumlmbi GaSb (n- tipuacutes ) Gradiens reacuteteg Al 01Ga09 As 003 Sb 097 167nm Fedőreacuteteg Al09Ga01As008Sb 092 Te(2 10 18 cm - 3 )

1500nm -tipuacutes )

QW In035Ga065As011Sb089 10nm QB Al025Ga075As002Sb098 35nm

QB Al025Ga075As003Sb097 375nm

QW In035Ga065As011Sb089 10nm QB Al025Ga075As002Sb098 35nm QW In035Ga065As011Sb089 10nm QB Al025Ga075As002Sb098 375nm Fedőreacuteteg Al09Ga01As008Sb092 Be5 10 18 cm - 3 )

(p-tipuacutes ) 1500nm Gradiens reacuteteg Al 01Ga09 As 003 Sb 097 167nm Veacutedőreacuteteg GaSb p -tipuacutes 1 10 19 cm - 3 ) 250nm

a) LD5 b) LD6

17 aacutebra a) GaInNAsGaAs b) GaInAsSbAlGaAsSb alapuacute leacutezerdioacuteda-struktuacuteraacutek


27

LD6IT(E) [27] (T - toumlbbmoacutedusuacute E - egymoacutedusuacute) ndash 2400 nm-en sugaacuterzoacute GaSb alapuacute leacutezer (17b aacutebra) Meg kell emliacuteteni hogy a kvantumgoumldroumlkre (In035Ga065As011Sb089 ndash 10 nm) enyhe oumlsszenyomoacute (142-os) feszuumlltseacuteg hat Az aktiacutev reacuteteget hataacuteroloacute reacutetegek (Al025Ga075As002Sb098 ndash 375 nm) ugyanabboacutel az anyagboacutel keacuteszuumll mint a kvantumpotenciaacutel-gaacutetak (35 nm) A fedőreacutetegek (Al09Ga01As008Sb092 ndash 1500nm) amelyek egyuacutettal emitter funkcioacutet is betoumlltenek adaleacutekolva vannak 1) n-tiacutepus eseteacuten Te-al (2middot1018cm-3) 2) p-tiacutepus eseteacuten Be-al (1middot1019cm-3) kiveacuteve az első 200 nm-ert amelyben a Be-adaleacutekszint csupaacuten 5middot1017cm-3 annak eacuterdekeacuteben hogy csoumlkkenjen az abszorpcioacute a szabad toumllteacuteshordozoacutekon GaSb p- tiacutepusuacute veacutedőreacuteteg (250 nm) adaleacutekszintje 1middot1019cm-3 A fedőreacutetegeket egy gradiens aacutetmeneti reacuteteg hataacuterolja (Al01Ga09As003Sb097 ndash 167 nm) amely az injekcioacute szintjeacutenek emeleacuteseacutet szolgaacutelja Az aktiacutevsaacutev szeacutelesseacutege toumlbbmoacutedusuacute leacutezer eseteacuteben 100 μm egymoacutedusuacute leacutezerneacutel 12 μm volt A rezonaacutetor hossza toumlbbmoacutedusuacute leacutezer eseteacuten 750 μm egymoacutedusuacute leacutezerneacutel 1000μm A leacutezercsip szereleacutese forrasztaacutessal (tipikus SnPb oumltvoumlzet) p- oldallal lefeleacute toumlrteacutent reacutez hővezető toumlnkoumln Kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg LD6T (egyenaacuteram) (P=1baacuter T=300K) - 240 Acm2 (kuumlszoumlbaacuteram 190 mA) LD6E (egyenaacuteram) (P=1baacuter T=300K) - 240 Acm2 (kuumlszoumlbaacuteram 35 mA)

Az LD6IT-hez azonos szerkezetű (17b aacutebra) de maacutes oumlsszeteacutetelű

goumldoumlrfedőreacuteteg alapuacute leacutezerstruktuacuteraacutek LD6IIndashIn035Ga065As015Sb085Al025Ga075As002Sb098 (λ=2500 nm) LD6III ndash In037Ga063As012Sb088Al025Ga075As002Sb098 (λ=2300 nm)

A felsorolt leacutezerstruktuacuteraacutek toumlbbseacutegeacuten (kb 50 db) aacuteltalaacutenosnak tekinthető

meacutereacuteseket veacutegeztuumlnk kuumlszoumlbaacuteram hullaacutemhossz volt-amper fuumlggveacuteny nyomaacutes eacutes hőmeacuterseacuteklet-fuumlggőseacuteget Meacutelyebb vizsgaacutelatok csak egy-keacutet jellemző leacutezerstruktuacutera (LD1-LD6) eseteacuten keacuteszuumlltek

42 A magasnyomaacutesuacute kamra eacutes a nyomaacuteskoumlzvetiacutető koumlzeg

tulajdonsaacutegai Magas nyomaacutes alatt e dolgozatban a 01-3 GPa tartomaacutenyt (aacuteltalaacuteban

magas nyomaacutes alatt 1 GPa feletti nyomaacutes eacutertendő [37]) eacutes csak a mechanikus eszkoumlzoumlkkel eleacuterhető nyomaacutest eacutertjuumlk melyet huzamosabb ideig mindenfeacutele egyeacuteb beavatkozaacutes neacutelkuumll (robbantaacutes leacutezernyalaacuteb alkalmazaacutesa stb) tartani lehet eacutes ahol az adott hőmeacuterseacuteklet mellett a nyomaacutest koumlzvetiacutető koumlzeg meacuteg megfelel a hidrosztatikai nyomaacutesfelteacuteteleknek Aacuteltalaacuteban ez a hőmeacuterseacuteklet nem magasabb 2000 K-neacutel vagyis meacuteg egyes anyagok olvadaacutesi pontja alatt van eacutes nem alacsonyabb mint az alkalmazott koumlzeg (folyadeacutek) kristaacutelyosodaacutesi hőmeacuterseacuteklete (e dolgozatban a hőmeacuterseacuteklet-tartomaacuteny 100-300 K)


28

Magas hidrosztatikai nyomaacutes előaacutelliacutetaacutesaacutera toumlbbnyire viszonylag egyszerű

moacutedszert alkalmaznak folyadeacutekkal vagy gaacutezzal teli zaacutert teacuterfogatban (V akaacuter toumlbb dm3) nyomaacutest ideacuteznek elő mozgoacute dugattyuacuteval (18 aacutebra) amely lehet akaacuter egy

kuumllső kompresszor eleme is Iacutegy aacuteltalaacuteban kb 1-3 GPa nyomaacutes biztosiacutethatoacute a kamraacuteban [3738] Maacutes rendszerekkel (peacuteldaacuteul gyeacutemaacutent anvil cellaacuteval) eleacuterhető akaacuter 300 Gpa [38] is ugyanakkor csak nagyon keveacutes anyag biacuterja ezt a nyomaacutest roncsoloacutedaacutes neacutelkuumll (pl gyeacutemaacutent) Ez azonban nemcsak megdraacutegiacutetja az ilyen rendszert de az alkalmazhatoacute hasznos teacuterfogatot (ami aacuteltalaacuteban ltlt1mm3) is jelentősen csoumlkkenti

500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)

hullaacutemhossz(nm)

hexaacuten n-pentaacuten benzin

500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol

19 aacutebra Egyes szeacutenhidrogeacutenek eacutes alkoholok aacuteteresztőkeacutepesseacutegeacutenek

hullaacutemhosszfuumlggveacutenye (Fourrier spektromeacuteter segiacutetseacutegeacutevel meacutert)

1

2

3

45

76

18 aacutebra 1 - magasnyomaacutesuacute kamra 2 - roumlgziacutetett

dugattyuacute 3- mozgoacute dugattyuacute 4 - toumlmiacuteteacutes 5 - roumlgziacutető csavarok 6 - zafiacuterablak 7 -

nyomaacuteskoumlzvetiacutető koumlzeg (folyadeacutek) [3738]


29

A feacutelvezető leacutezercsip meacutereteit tekintve nem nagy eszkoumlz (aacuteltalaacuteban ~02-5mm) viszont műkoumldeacuteseacutehez elengedhetetlenuumll szuumlkseacuteges maacutes kisegiacutető elem is (pl hűtőtoumlnk huzalok stb) Meacutereacuteseink elveacutegzeacuteseacutehez a klasszikus optikai meacutereacutesekneacutel hasznaacutelatos folyadeacutekkal műkoumldő kompakt magasnyomaacutesuacute kamraacutet alkalmaztuk (18 aacutebra) amely 20 kbar koumlruumlli nyomaacutes leacutetrehozaacutesaacutera alkalmas [3738] A kamra optikai rendszereacuten jelentős belső aacutetalakiacutetaacutest kellett veacutegrehajtani amelyről a keacutesőbbiekben lesz szoacute A folyadeacutekkal műkoumldő magasnyomaacutesuacute kamra előnye a gaacuteznyomaacutesuacute kamraacutekkal szemben hogy a nyomaacutes előaacutelliacutetaacutesaacutehoz nem szuumlkseacuteges kompresszor alkalmazaacutesa eleacutegseacuteges egy viszonylag egyszerű preacutes is Ennek eredmeacutenyekeacutent gyors koumlnnyen kezelhető valamint biztonsaacutegos eszkoumlzt lehetett leacutetrehozni Maga a rendszer kis meacuteretű az alkalmazott kamraacutek belső aacutetmeacuterője nem haladta meg a 13 mm-ert (a kuumllső meacuteret ndash 50 mm) a hossza pedig maximaacutelisan 180 mm

A nyomaacuteskoumlzvetiacutető koumlzeg elektrooptikai tulajdonsaacutegait illetően (feacutelvezető

leacutezerek magasnyomaacutesuacute tanulmaacutenyozaacutesaacutenaacutel) haacuterom fő koumlvetelmeacutenyt szuumlkseacuteges kiemelni

1) hidrosztatikai nyomaacutest kell biztosiacutetania fuumlggetlenuumll a nyomaacutes eacutes hőmeacuterseacuteklet vaacuteltozaacutesaacutetoacutel (a leacutezerdioacuteda kristaacutelyaacutenak roncsoloacutedaacutesa elkeruumlleacutese veacutegett)

2) joacute szigetelőnek kell lennie 3) aacutetlaacutetszoacutenak kell lennie a spektrum tanulmaacutenyozott tartomaacutenyaacuteban (400-

2500nm)

Az első koumlvetelmeacutenynek viszonylag sok folyadeacutek toumlbbeacute-keveacutesbeacute megfelel baacuter ha alacsony hőmeacuterseacutekletről van szoacute maacuter akadhatnak probleacutemaacutek A maacutesodik koumlvetelmeacuteny viszont jelentősen szűkiacuteti az alkalmazhatoacute koumlzegek koumlreacutet mivel sok folyadeacutek (pl viacutez kuumlloumlnboumlző alkoholok stb) amelyeket normaacutel koumlruumllmeacutenyek koumlzoumltt jobb-rosszabb szigetelőknek ismeruumlnk magas nyomaacutes hataacutesaacutera kifejezetten aacuteramvezető tulajdonsaacutegokat vesz fel A legnehezebb a harmadik koumlvetelmeacutenynek megfelelni amennyiben a feacutenyspektrum eleacuteg szeacuteles skaacutelaacutejaacuteroacutel van szoacute Ezeacutert a fenti szempontok alapjaacuten kivaacutelasztottunk neacutehaacuteny folyadeacutekot Vizsgaacutelataink mutatjaacutek hogy a spektrum bizonyos reacuteszein eleacuteggeacute kicsi az aacuteteresztőkeacutepesseacuteguumlk (19 aacutebra) Ugyanakkor a leacutezerstruktuacuteraacutek tanulmaacutenyozaacutesa soraacuten azt tapasztaltam hogy ha a feacutenyszaacutel 30-50 μm taacutevolsaacutegra van a leacutezertől a dioacuteda sugaacuterzaacutesaacutenak 50-80-a bejut a feacutenyszaacutelba meacuteg az 1700-2500 nm-es hullaacutemsaacutevban is benzin alkalmazaacutesa eseteacuten A magasnyomaacutesuacute meacutereacutesekhez eacuteppen ezeacutert a benzint vaacutelasztottuk

A koumlzeg toumlreacutesmutatoacuteja szinteacuten fontos parameacuteterkeacutent szerepel a leacutezerdioacutedaacutek

magasnyomaacutesuacute elektrooptikai meacutereacuteseineacutel Mivel a benzin szeacutenhidrogeacutenek szeacutelesebb csoportjaacutet foglalja magaacuteban eacutes oumlsszeteacutetele bizonyos keretek koumlzoumltt


30

vaacuteltozhat emiatt valoacutesziacutenűleg szűkebb tartomaacutenyban vaacuteltozik az aacutetereszteacutesi teacutenyező eacutes a toumlreacutesmutatoacute is Termeacuteszetesen ez hataacutessal van a visszavereacutesi teacutenyezőre (R) eacutes iacutegy a leacutezert jellemző toumlbbi parameacuteterre is Fontos tisztaacutezni azt is hogy a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel nem csak a koumlzeg sűrűseacutege nő de a koumlzeg toumlreacutesmutatoacuteja is vagyis a koumlzeg optikailag is sűrűsoumldik [39] Bizonyos nyomaacuteson tuacutel a koumlzeg teacuterfogatcsoumlkkeneacutese megtorpan vagyis a sűrűseacutege maacuter alig vaacuteltozik ami azt eredmeacutenyezi

hogy a toumlreacutesmutatoacute feltehetően szinteacuten alig vaacuteltozik [40] Tapasztalataim azt mutatjaacutek hogy ez a kuumlszoumlb benzin eseteacuteben 4-6 kbar A 20 aacutebraacuten egyes szeacutenhidrogeacutenek toumlreacutesmutatoacutejaacutenak nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutet laacutethatjuk 5461 nm-en [39] Ugyanilyen vaacuteltozaacutes vaacuterhatoacute maacutes hullaacutemhosszon is

Sajnos meg kell jegyezni hogy a nyomaacutes vaacuteltozaacutesaacuteval paacuterhuzamosan vaacuteltozik a leacutezerek kisugaacuterzott feacutenyeacutenek hullaacutemhossza is eacutes ez jelentős meacuterteacutekben megneheziacuteti a meacutereacutesek elveacutegzeacuteseacutet ha a toumlreacutesmutatoacute pontos vaacuteltoacutezaacutesaacutet ismerni akarjuk Ugyanakkor a leacutezerdioacutedaacutek gyaacutertaacutesaacutenaacutel hasznaacutelt feacutelvezetőknek viszonylag nagy a toumlreacutesmutatoacuteja (n=3-5) ezeacutert a koumlzeg toumlreacutesmutatoacutejaacutenak vaacuteltozaacutesa csekeacutely hataacutessal lehet a visszavereacutesi teacutenyező vaacuteltozaacutesaacutera Meacutereacuteseink szerint a laacutethatoacute eacutes a koumlzeli infravoumlroumls tartomaacutenyban a benzin toumlreacutesmutatoacuteja 1 baacuter nyomaacutesnaacutel ~135 A benzin pontos toumlreacutesmutatoacute pTλ diagramjainak jellege bonyolult kutataacutesokat igeacutenyel Ezeacutert oumlsszefoglalva az előbbieket munkaacutem soraacuten elfogadhatoacute megkoumlzeliacuteteacutesnek tűnt abboacutel kiindulni hogy a benzin toumlreacutesmutatoacute-vaacuteltozaacutesaacutenak nincs nagy jelentőseacutege a tanulmaacutenyozott jelenseacutegekre

43 Leacutezerek elektromos eacutes optikai tulajdonsaacutegainak tanulmaacutenyozaacutesa magas nyomaacutes alatt

431 Alapismeretek

Elektromos eacutes optikai meacutereacutesekneacutel magas hidrosztatikai nyomaacutes alatt a legnagyobb probleacutemaacutet a toumlmiacuteteacutesek jelentik a szuumlkseacuteges elektromos eacutes optikai jelek ki- eacutes bevezeteacuteseacutenek megvaloacutesiacutetaacutesakor Aacuteramvezeteacutesre veacutekony szigetelt reacutezhuzalt

Nyomaacutes (kbar)

Δn

20 aacutebra Toumlreacutesmutatoacute nyomaacutestoacutel valoacute

fuumlggeacutese szeacutenhidrogeacutenekneacutel 5461nm-en [39]


31

hasznaacutelnak melynek toumlmiacuteteacutese kuumlloumlnboumlző anyagokkal (pl uacuten pirofilittel) toumlrteacutenik [37] Feacuteny ki(be) vezeteacuteseacutet zafiacuterablakkal valoacutesiacutethatjuk meg Egy ilyen ablak effektiacutev keresztmetszete kicsi (aacuteltalaacuteban 1-25 mm2) eacutes az optikai uacutet hosszuacute ugyanakkor a leacutezerdioacutedaacutek apertuacuteraacuteja eleacuteg nagy 10deg-30deg (21aacutebra) [41] A leacutezerfeacuteny hateacutekony kivezeteacuteseacutehez egy kuumlloumln optikai rendszerre van szuumlkseacuteg Mivel magas nyomaacutes alatt a folyadeacutek (gaacutez) optikailag sűrűbb mint normaacutel koumlruumllmeacutenyek koumlzoumltt tovaacutebbaacute a magasnyomaacutesuacute kamra belső teacuterfogata korlaacutetozott egy ilyen

optikai rendszer megvaloacutesiacutetaacutesa soraacuten szaacutemos neheacutezseacuteget kell lekuumlzdeni A kiacuteseacuterletek elveacutegzeacuteseacutehez keacutet kuumlloumlnboumlző optikai rendszert fejlesztettuumlnk ki

1) leacutezerlencse- zafiacuterablak (22a aacutebra) 2) leacutezer-feacutenyvezető szaacutel (22baacutebra) elrendezeacutesben [41 42] E keacutet rendszer a kiacuteseacuterleti ceacuteltoacutel fuumlggően moacutedosiacutethatoacute volt

432 Leacutezer ndash lencse ndash zafiacuterablak feacutenykivezető-rendszer a

magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel

Zafiacuterablak felhasznaacutelaacutesaacutenaacutel a legnagyobb gondot az jelentette hogy szuumlkseacuteges volt egy olyan kollimaacutecioacutes rendszer megeacutepiacuteteacuteseacutere is amely fuumlggetlen kellett hogy legyen a koumlzeg toumlreacutesmutatoacute-vaacuteltozaacutesaitoacutel Első megoldaacuteskeacutent egy speciaacutelis haacuterom kuumlloumlnboumlző anyaguacute lencseacuteből feleacutepiacutetett lencserendszert hasznaacuteltunk (23 aacutebra)

a) b)

22 aacutebra A magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel kuumlloumlnboumlző tiacutepusuacute sugaacuterzaacutest kivezető rendszer

a) zafiacuterablakkal b) feacutenyvezető uumlvegszaacutellal ellaacutetott elrendezeacutes

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)

21 aacutebra 808 nm-en sugaacuterzoacute 500mW -os leacutezerdioacuteda apertuacuteraacuteja levegőben eacutes benzinben


32

A lencse szfeacuterikus bemeacutelyedeacutessel volt ellaacutetva A leacutezer a szfeacutera

foacutekuszpontjaacuteban van elhelyezve ami biztosiacutetja hogy a sugaacuter tovaacutebbi uacutetja vaacuteltozatlan legyen az optikai rendszerben (fuumlggetlenuumll a koumlzeg toumlreacutesmutatoacutejaacutenak nk vaacuteltozaacutesaacutetoacutel) Fontos az is hogy a lencseacutek toumlreacutesmutatoacutei megfelelően legyenek megvaacutelasztva (n1ltn2gtn3) valamint alakjuk eacutes meacutereteik oumlsszhangban legyenek a magasnyomaacutesuacute kamra meacutereteivel Jelentős haacutetraacutenya volt e lencserendszernek hogy a lencseacutek ragasztva voltak egymaacuteshoz ami kicsiny meacuteretuumlk (L=25 R=125mm) miatt elengedhetetlen volt Ennek eredmeacutenyekeacutent nagy nyomaacutesnaacutel a lencseacutek gyakran megrepedeztek A tovaacutebbi kutataacutesaink azt mutattaacutek hogy sokkal jobb eredmeacutenyeket lehet eleacuterni gradiens lencseacutek alkalmazaacutesaacuteval [36] Előnyuumlk hogy i) egy reacuteszből aacutellnak eacutes iacutegy elkeruumllhető a repedezeacutesuumlk ii) vaacuteltoztatni lehet a hosszuacutesaacutegukat vaacuteltoztatva ezzel a foacutekusztaacutevolsaacutegot iii) egyszerűbb a hasznaacutelatuk iv) viszonylag olcsoacute a beszerzeacutesuumlk

Mindezek figyelembeveacuteteleacutevel az aacuteltalunk megeacutepiacutetett magasnyomaacutesuacute

optikai rendszer a 24 aacutebraacuten laacutethatoacute [36] Csekeacutely haacutetraacutenya az alkalmazaacutesban az hogy kisebb probleacutemaacutek adoacutedhatnak a kamra hűteacutese koumlzben amikor is viacutez kondenzaacuteloacutedhat a zafiacuterablakon eacutes ezt megelőzendő speciaacutelis optikai veacutedőszerkezetet (peacuteldaacuteul vaacutekuumos ablakot) kell alkalmazni Gyakorlati szempontboacutel ugyanakkor jelentős előnye hogy segiacutetseacutegeacutevel a leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesaacutenak (leacutezerstruktuacuteraacutetol fuumlggoacuteen) kb 50-75-a vezethető ki a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel tovaacutebbaacute a kisugaacuterzott feacuteny koherens eacutes polarizaacutelt marad

r

n2n1 n1

Leacutezer csiacutep

nk nk

23 aacutebra Oumlsszetett lencserendszer leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesaacutenak kollimaacutecioacutejaacutera magasnyomaacutesuacute kamraacuteban valamint a leacutezersugarak terjedeacutesi uacutetja


33

433 Leacutezerdioacutedandashoptikai szaacutel feacutenykivezető-rendszer a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel

Szinteacuten joacute megoldaacutesnak iacutegeacuterkezett eacutes a gyakorlatban is bevaacutelt a szaacuteloptika hasznaacutelata a feacuteny kivezeteacuteseacutere a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel (szuumlkseacuteg eseteacuten a feacuteny bevezeteacuteseacutere a magasnyomaacutesuacute kamraacuteba) E ceacutelboacutel a koumlvetkező rendszert fejlesztettem ki a mozdulatlan aceacuteldugattyuacuteba forrasztaacutessal egy berill-bronzboacutel keacuteszuumllt kapillaacuteris (belső aacutetmeacuterője 03-06 mm) volt roumlgziacutetve eacutes toumlmiacutetve melyet előzőleg a ceacutelnak megfelelő alakuacutera formaacuteltam [43] (25 aacutebra) eacutes tisztiacutetottam (40-50-ra hiacutegiacutetott keacutensavval viacutezzel eacutes acetonnal) A kapillaacuteris toumlmiacuteteacuteseacutere toumlbb ragasztoacutetiacutepust proacutebaacuteltam ki Az egyik legjobb tulajdonsaacutegokat a Stycast ragasztoacute mutatta [43] A feacuteny ki(be) vezeteacuteseacutere kuumlloumlnboumlző tiacutepusuacute optikai szaacutelat proacutebaacuteltam ki (a kuumllső koumlpeny aacutetmeacuterője 125-200 μm belső mag aacutetmeacuterő 8 - 145 μm) amelyeknek kuumllső műanyag veacutedőreacutetegeacutet előzetesen eltaacutevoliacutetottam Kivaacuteloacute eredmeacutenyt lehetett eleacuterni emellett a feacutem veacutedőburkolattal rendelkező feacutenyszaacutelakkal is Hasznossaacute vaacutelt az is hogy a feacutenyszaacutellal egyuumltt a kapillaacuterisban szigetelt reacutezhuzalt (huzalokat) roumlgziacutetettem ami sokkal egyszerűbbnek bizonyult a klasszikus pirofilites toumlmiacuteteacutesneacutel [43] Ez megengedte a kamra ugyanazon oldalaacuteroacutel az aacuteram bevezeteacuteseacutet eacutes a leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesaacutenak kivezeteacuteseacutet ami leegyszerűsiacutetette a mozgoacute dugattyuacute szerkezeteacutet Lehetőveacute vaacutelt tovaacutebbaacute szuumlkseacuteg eseteacuten toumlbb feacutenyszaacutel hasznaacutelata is

10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12

24 aacutebra Leacutezerdioacuteda-gradienslencse-zafiacuterablak feacutenykivezető-rendszer vaacutezlata

1 Magasnyomaacutesuacute kamra 2 Roumlgziacutetett dugattyuacute 3 Feacutemtoumlmiacuteteacutes 4 Mozgoacute dugattyuacute 5 Zafiacuterablak 6 Gradiens (GRIN) lencse 7 Hőelvonoacutetartoacute (alap) 8 Leacutezercsip 9 Hűtőtoumlnk (reacutez) 10 Roumlgziacutetőcsavar 11 Nyomaacuteskoumlzvetiacutető koumlzeg (benzin) 12 Hűtőtoumlnkoumlt roumlgziacutető csavar


34

Azonkiacutevuumll hogy meg kellett oldani a feacuteny kivezeteacuteseacutet a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel szuumlkseacuteg volt a leacutezerfeacuteny feacutenyszaacutelba toumlrteacutenő hateacutekony bevezeteacuteseacutenek a biztosiacutetaacutesaacutera is amit a leacutezerdioacuteda sugaacuterzoacute feluumlleteacutenek eacutes a feacutenyszaacutel hasznos keresztmetszeteacutenek mikronos meacuterete neheziacutetett Szaacutemolni kellett tovaacutebbaacute azzal is hogy a leacutezercsip szereleacutesi felteacutetelei a kuumlloumlnboumlző tiacutepusoknaacutel elteacuterőek lehetnek nagyteljesiacutetmeacutenyű dioacutedaacutek eseteacuteben pedig meg kell oldani a hőelvonaacutes probleacutemaacutejaacutet

E komplex feladat keacutet kuumlloumlnboumlző koncepcioacutejuacute kivitelezeacutest eredmeacutenyezett

1) az egyik megoldaacutes alapja az volt hogy a leacutezercsip a korrekcioacutes csavarokkal iraacutenyiacutetott mozgathatoacute berill-bronzboacutel keacuteszuumllt kapillaacuteris (amelyben feacutenyszaacutel helyezkedett) veacutegeacuteben volt roumlgziacutetve (25 aacutebra) [43]

2) a maacutesik vaacuteltozat azon alapul hogy a hűtőtoumlnkhoumlz előzetesen roumlgziacutetve volt

ragasztoacuteval vagy forrasztaacutessal (anyagaacutetoacutel fuumlggően) egy poziacutecionaacutelt roumlvid kapillaacuterisdarab amelyben a feacutenyszaacutel a dioacuteda sugaacuterzaacutesi iraacutenyaacutehoz keacutepest merőleges iraacutenyban nem tudott elmozdulni Egy ilyen egyseacuteg poziacutecionaacutelaacutesa a hőelvonoacute alaphoz maacuter egyszerűbb mivel csak a megfelelő (lehetőleg a minimaacutelis) taacutevolsaacutegot kel biztosiacutetani a leacutezer eacutes a feacutenyszaacutel veacutege koumlzoumltt Ezenkiacutevuumll e megoldaacutes megengedte a hűtőtoumlnk forrasztaacutessal valoacute roumlgziacuteteacuteseacutet (hasonloacutekeacuteppen a gradiens lencse rendszerhez) a hőt elvonoacute alaphoz Ez nagyon hasznosnak bizonyult nagyteljesiacutetmeacutenyű (05-2W) leacutezerdioacutedaacutek eseteacuteben

6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8

25 aacutebra Leacutezersugaacuterzaacutes kivezeteacutese magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel feacutenyvezető szaacutel

segiacutetseacutegeacutevel (kommersz hűtőtoumlnk szereleacutesű leacutezercsip eseteacuteben)

1 Leacutezercsip 2 Hűtőtoumlnk 3 Feacutenyszaacutel 4 Vezeteacutek 5 Berill-bronz kapillaacuteris 6 Dugattyuacute 7 Hőt elvonoacute tartoacute (alap) 8 Feacutenyszaacutelat pozicionaacuteloacute csavar 9 Roumlgziacutetőcsavar 10 Alaacuteteacutet


35

A szaacuteloptika hasznaacutelata lehetőveacute tette a leacutezerdioacuteda kisugaacuterzott feacutenyeacutenek 75-os kivezeteacuteseacutet a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel Lehetőveacute vaacutelt tovaacutebbaacute az elektromos eacutes optikai meacutereacutesek viszonylag egyszerű kivitelezeacutese a magasnyomaacutesuacute kamraacuteban 0-22 kbaacuter nyomaacutes eacutes 100-300 K hőmeacuterseacutekleti tartomaacutenyban [43]

44 Alkalmazott meacutereacutesi eszkoumlzoumlk eacutes technikai jellemzőik

A magasnyomaacutesuacute kamraacuten kiacutevuumll a leacutezerdioacutedaacutek elektromos eacutes optikai tulajdonsaacutegainak meacutereacuteseacutere toumlbb kisegiacutetőeszkoumlz volt felhasznaacutelva a nyomaacutes előaacutelliacutetaacutesaacutera szolgaacuteloacute kismeacuteretű keacutezi preacutes (maximaacutelis erőkifejteacutes 20 tonna) hűteacutesre eacutes hőmeacuterseacuteklet-szabaacutelyzaacutesra Peltier vagy nitrogeacutenes hűtő PID-es vezeacuterleacutessel (hőmeacuterseacutekleti tartomaacuteny 77-350K 01K pontossaacuteg) nyomaacutes meacutereacuteseacutere InSb feacutelvezető neacutegy-eacuterintkezős moacutedszerrel (pontossaacuteg 01kbaacuter) hőmeacuterseacuteklet meacutereacuteseacutere Cu-CuNi termopaacuter (pontossaacuteg 01K)

A leacutezerek sugaacuterzaacutesaacutenak spektrumaacutet nagy felbontaacutesuacute SPEX 1000 (1 meacuteteres)

spektromeacuteterrel veacutegeztuumlk Felhasznaacutelt diffrakcioacutes raacutecsok 600 1200 1800 2400 vonalmm Maga az optikai jel detektaacutelaacutesa nitrogeacutennel hűtoumltt Si alapuacute CCD (hullaacutemhossztartomaacuteny 300-1100 nm felbontoacutekeacutepesseacuteg 10 pm 1200-as raacutecs eseteacuten) vagy egycsatornaacutes detektorok (felbontoacutekeacutepesseacuteg 8 pm 1200-as raacutecs eseteacuten) segiacutetseacutegeacutevel toumlrteacutent (InGaAs InSb PbS dioacutedaacutek)

A sugaacuterzaacutes teljesiacutetmeacutenyeacutenek meacutereacuteseacutere egy Si alapuacute (NEWPORT 1830-C

hullaacutemhossztartomaacuteny 400-1100 nm) egy InGaAs alapuacute dioacuteda (NEWPORT 1830-C hullaacutemhossz tartomaacuteny 1100-1500 nm pontossaacutega 04) valamint egy

1

3

4

5

6 8

27

26 aacutebra Leacutezerdioacuteda-optikai feacutenyszaacutelkivezető-rendszer

1 Leacutezercsip 2 Hűtőtoumlnk (reacutez) 3 Feacutenyszaacutel 4 Vezeteacutek 5 Berill-bronz kapillaacuteris 6 Dugattyuacute 7 Hőt elvonoacute alap (reacutez) 8 Feacutenyszaacutelat roumlgziacutető kapillaacuteris


36

piroelektromos meacuterőfej (Laser Probe Power Ratiometer Rk 5720 hullaacutemhossztartomaacuteny 400-2500 nm) szolgaacutelt

Felhasznaacutelt aacuteramforraacutesok egyenaacuteram - NEWPORT 5030 (pontossaacutega

I003+90 μA) Melles Griot impulzusaacuteram - CBW PAN gyaacutertmaacutenyuacute (impulzus időtartama 200 ns impulzusok koumlveteacutesi ideje 20μs pontossaacutega 3)

Aacuteram eacutes feszuumlltseacuteg meacutereacuteseacutere egy KEITHLEY 2700 tiacutepusuacute meacuterőműszert

hasznaacuteltunk (pontossaacuteg ndash 001 ) Az aacuteltalaacutenos meacutereacutesi rendszer elrendezeacutese a 27 aacutebraacuten laacutethatoacute

A munka technikai reacuteszeacutenek oumlsszegzeacutesekeacuteppen a koumlvetkezők aacutellapiacutethatoacutek

meg 1) sikeruumllt leacutetrehoznom eredeti nagy hataacutesfokuacute praktikus szaacuteloptikaacutes

feacutenykivezető-rendszert a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel 2) hozzaacutejaacuterultam gradiens lencse-zafiacuterablak feacutenykivezető-rendszer leacutetrehozaacutesaacutehoz a klasszikus folyadeacutek magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel 3) speciaacutelis leacutezercsipszereleacutest alkalmaztam

4) mindez egy rendszert alkotott a meacutereacutesi eszkoumlzoumlkkel A megeacutepiacutetett rendszer lehetőveacute tette a leacutezerdioacutedaacutek kuumlloumlnboumlző parameacutetereinek tanulmaacutenyozaacutesaacutet magas nyomaacutesuacute (0-22 kbar) koumlruumllmeacutenyek koumlzoumltt szeacuteles hőmeacuterseacutekleti tartomaacutenyban (100-300 K)

Szaacutemiacutetoacutegeacutep

NEWPORT 1830-C (sugaacuterzaacutes teljesiacutetmeacutenye)

NEWPORT 5030 (aacuteramforraacutes)

KEITHLEY 2700 (feszuumlltseacuteg a manomeacuteteren)

SPEX 1000 (spektromeacuteter)

feacutenyszaacutel

Hűtőrendszer (PID)

kamra

preacutes

27 aacutebra Leacutezerdioacutedaacutek magasnyomaacutesuacute meacutereacutesi rendszere (aacuteltalaacutenos elrendezeacutes)

Kiacuteseacuterleti erdmeacutenyek eacutes alkalmazaacutesuk

37

V Kiacuteseacuterleti eredmeacutenyek eacutes alkalmazaacutesuk A feacutelvezető leacutezerstruktuacuteraacutek magasnyomaacutesuacute tanulmaacutenyozaacutesa kimutatta hogy a magas nyomaacutes kuumlloumlnboumlző reakcioacutekat vaacutelthat ki egy-egy konkreacutet tiacutepusuacute struktuacuteraacutenaacutel ami toumlbbek koumlzoumltt vaacuterhatoacute is a III fejezetben felsorolt ismeretek alapjaacuten A rendszerezeacutes eacuterdekeacuteben ezeacutert ceacutelszerűnek tűnt leacutezerdioacutedaacutek mineacutel szeacutelesebb skaacutelaacutejaacutet vizsgaacutelni Van egy aacuteltalaacutenos jellemzője a feacutelvezető leacutezereknek jelentős nyomaacutes eacutes viszonylag csekeacutely hőmeacuterseacuteklet aacuteltali hangolhatoacutesaacuteg eacutes ezen jellemzők vizsgaacutelata nem csak az alkalmazaacutes de az alapkutataacutes szempontjaacuteboacutel is fontos az elteacuterő szerkezettel rendelkező struktuacuteraacutek jobb megismereacutese miatt Ezeacutert az eredmeacutenyek felsorolaacutesaacutet a hangolhatoacutesaacuteg (pozitiacutev effektus) elemzeacuteseacutevel kezdem majd kiteacuterek az elektronfolyamatok aacuteltal okozott negatiacutev effektusokra amelyek kisebb vagy nagyobb meacuterteacutekben kiacuteseacuterik az előbbieket

51 A hullaacutemhossz nyomaacutes eacutes hőmeacuterseacuteklet fuumlggeacutese kuumlloumlnboumlző feacutelvezető leacutezerstruktuacuteraacutek eseteacuten

Mivel e dolgozat egyik fő ceacutelja a leacutezerdioacutedaacutek hangolhatoacutesaacutegaacutenak vizsgaacutelata

(ez hataacuterozhatja meg a leacutezerdioacutedaacutek szeacutelesebb koumlrű alkalmazaacutesaacutet) eacuterdemes az eredmeacutenyek ezen reacuteszeacutet kuumlloumln kiemelni eacutes rendszerezni

A 2-4 aacutebraacutekboacutel eacutes a 6 egyenletből valamint abboacutel kiindulva hogy a

kvantumgoumldoumlr mini saacutevszerkezete vaacuteltozhat a nyomaacutes vaacuteltozaacutesaacuteval (maga a minisaacutev energiaacuteja a kvantumgoumldoumlrben nagysaacutegrendekkel kisebb a kvantumgoumldroumlt alkotoacute feacutelvezető tiltott saacutevjaacutenaacutel eacutes maga a minisaacutev energiatartomaacuteny-szeacutelesseacutege is kicsiny) vaacuterhatoacute hogy

( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)

ahol maxνh - a leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesi spektrum csuacutecsaacutenak felel meg (ugyanez eacuterveacutenyes a dEgdT-re is) Ezeacutert a tovaacutebbiakban a dEgdp eacutes a d(hνmax)dp koumlzoumltt nem szuumlkseacuteges leacutenyeges kuumlloumlnbseacuteget tenni

A nyomaacutessal eacutes hőmeacuterseacuteklettel toumlrteacutenő hangolhatoacutesaacutegon kiacutevuumll fontos megemliacuteteni a kuumlszoumlbaacuteram nyomaacutesfuumlggeacuteseacutet Maacutesok aacuteltal magasnyomaacutesuacute koumlruumllmeacutenyek koumlzoumltt egyaacuteltalaacuten nem tanulmaacutenyozott struktuacuteraacutek eseteacuten ezen eredmeacutenyekkel eacuterdemes bővebben foglalkozni


38

A koraacutebban felvaacutezolt rendszerezeacutest koumlvetve előszoumlr a keacutek feacutenyt sugaacuterzoacute InGaNGaN (LD1 LD2) alapuacute leacutezerdioacutedaacutek eseteacuten kapott eredmeacutenyeket mutatom be Egy ilyen leacutezerstruktuacutera sugaacuterzaacutesi hullaacutemhosszaacutenak nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutet elsőkeacutent meacutertem meg Meacutereacuteseim azt mutattaacutek hogy a hangolhatoacutesaacuteguk igen csekeacutely meacuterteacutekű (28a aacutebra) dEgdp=34 - 36 meVkbar [33 34 44] Ugyanakkor laacutethatoacute hogy a kuumlszoumlbaacuteram eacuterteacuteke fuumlggetlen a nyomaacutestoacutel (28b aacutebra) [33]

A koumlvetkező vizsgaacutelt hullaacutemhossztartomaacuteny a 630 eacutes 690 nm koumlzeacute esik Ez a GaInPAlGaInP alapuacute leacutezerdioacutedaacutek műkoumldeacutesi hullaacutemhossztartomaacutenya amelyek az emberi szem aacuteltal is eacuterzeacutekelhető piros feacutenyt bocsaacutetanak ki E tartomaacutenyban aacuteltalaacuteban neacutehaacuteny hullaacutemhossz dominaacutel 635 640 650 660 670 eacutes 690 nm Toumlbbnyire ezen hullaacutemhosszaknak megfelelő leacutezerstruktuacuteraacutek keruumllnek sorozatgyaacutertaacutesra Nyomaacutessal valoacute hangolhatoacutesaacuteguk vizsgaacutelata soraacuten feszuumlltseacutegektől mentes GaInPAlGaInP struktuacuteraacuteban 71 - 79 meVkbar eacuterteacuteket kaptuk [4546] A hőmeacuterseacutekleti teacutenyező 045 meVK [46] Ugyanakkor ellenteacutetben a GaN alapuacute leacutezerekkel e struktuacuteraacuteknaacutel megfigyelhető volt hogy maacuter viszonylag alacsony nyomaacutesnaacutel (4-17 kbar) a kuumlszoumlbaacuteram a toumlbbszoumlroumlseacutere nőtt ami a toumllteacuteshordozoacuteknak az aktiacutev saacutevboacutel toumlrteacutenő kiaacuteramlaacutesaacuteval magyaraacutezhatoacute Mivel ekkor a leacutezereffektus eleacutereacuteseacutehez szuumlkseacuteges magas aacuteramsűrűseacuteg roncsolaacutessal veszeacutelyeztetheti a struktuacuteraacutet ezeacutert ezt a nyomaacutest kritikus nyomaacuteskeacutent kell kezelni Ebből adoacutedik hogy 640 nm-en sugaacuterzoacute GaInPAlGaInP leacutezerdioacuteda eseteacuteben maacuter 4 kbaacuter nyomaacutesnaacutel csoumlkkenteni kell a hőmeacuterseacutekletet (szobahőmeacuterseacuteklethez keacutepest) (29 aacutebra) ha hateacutekony leacutezereffektust akarunk eleacuterni A 660 (eacutes 690) nm-en

405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)

0 kbar 6 kbar 12 kbar 18 kbar

28 aacutebra GaNInGaN (LD1) alapuacute leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesaacutenak a) hullaacutemhossza eacutes b)

kuumlszoumlbaacuteramaacutenak nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese dEgdp= 34 - 36 meVkbar


39

sugaacuterzoacute GaInPAlGaInP leacutezerek eseteacuteben a kritikus nyomaacutes magasabb eacutes aacutetlagban 13 - 17 kbar koumlruumlli eacuterteacuteknek felel meg [46] Munkaacutenk soraacuten elsőkeacutent sikeruumllt 640 nm-en sugaacuterzoacute leacutezerdioacutedaacutet uacutegy aacutethangolni hogy 590 nm hullaacutemhosszuacutesaacuteguacute saacuterga koherens feacutenyt bocsaacutesson ki Ehhez a dioacuteda koumlruumll 11 kbar hidrosztatikai nyomaacutest eacutes ndash150 Co hőmeacuterseacutekletet kellett biztosiacutetani (29aacutebra) [4546] Elvileg lehetne meacuteg roumlvidebb hullaacutemhosszuacutesaacuteguacute sugaacuterzaacutest is előideacutezni de mechanikai akadaacutelyok gaacutetoltaacutek a leacutezer

tovaacutebbi nyomaacutessal valoacute hangolaacutesaacutet mivel szobahőmeacuterseacutekleten a magasnyomaacutesuacute kamra csak 20-22 kbar nyomaacutest biacuter ki A tovaacutebbi hűteacutes viszont csoumlkkenti a nyomaacutest kb 11 kbar-ig (mivel csoumlkken az alkalmazott folyadeacutek (benzin) teacuterfogata) A fordiacutetott eljaacuteraacutes (vagyis hűteacutes utaacuteni

nyomaacutesnoumlveleacutes) lehetetlen mivel ha előhűtoumltt folyadeacutekot hasznaacutelunk a nyomaacutes noumlvekedeacutese koumlzben az utoacutebbi koumlnnyen

kristaacutelyosodik ami a leacutezerstruktuacutera roncsoloacutedaacutesaacutehoz vezethet Mennyiseacutegileg nagyobb hangolhatoacutesaacutegot tapasztaltunk az AlGaAsAlGaAs leacutezerek eseteacuteben melyek a 780-850 nm tartomaacutenyban sugaacuteroznak [414547] Peacuteldaacuteul a 808 nm-en sugaacuterzoacute AlGaAs alapuacute leacutezer eseteacuten dEgdp=91 meVkbar ugyanakkor dEgdT=045 meVK [47]

Igen jelentős hangolhatoacutesaacutegot meacutertem az InGaAsGaAs alapuacute leacutezerekneacutel Aacuteltalaacuteban -az ilyen struktuacuteraacutek 980-1020 nm koumlzoumltt sugaacuteroznak [4142] A leggyakoribb a 980 nm-en sugaacuterzoacute struktuacutera Ilyen leacutezer eseteacuten a dEgdp maacuter eleacuteri a 105 meVkbart [4142] E leacutezerek nagy előnye hogy a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel gyakorlatilag nem vaacuteltozik a kuumlszoumlbaacuteram Ez valamint az a teacuteny hogy maacuter 20 kbar nyomaacutesnaacutel e leacutezer sugaacuterzaacutesaacutenak hullaacutemhossza eleacuterte a 840 nm-t (vagyis jelentős

11 125 10 8 4 2 0 kbar (-150degC) (-40degC) (25degC)

590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)

Hullaacutemhossz (nm)

29 aacutebra 640 nm-en sugaacuterzoacute InGaPAlGaInP alapuacute leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesi hullaacutemhosszaacutenak nyomaacutestoacutel valoacute

fuumlggeacutese A hőmeacuterseacuteklet csoumlkkeneacutese kompenzaacutelja a kuumlszoumlbaacuteram noumlvekedeacuteseacutet amelyet a magas nyomaacutes ideacutez

elő


40

140 nm-es vaacuteltozaacutest kaptunk) kivaacuteloacute lehetőseacuteget biztosiacutetott e dioacuteda nyomaacutessal toumlrteacutenő hangolaacutesaacutera

Az utoacutebbi időben leginkaacutebb a telekommunikaacutecioacutes tartomaacutenyban (1300-1550

nm) sugaacuterzoacute leacutezerek keruumlltek az eacuterdeklődeacutes koumlzeacuteppontjaacuteba Ebben a tartomaacutenyban az InGaAsPInP AlGaInAsInP GaInNAsGaAs alapuacute leacutezerstruktuacuteraacutek sugaacuteroznak

Ami az InGaAsPInP alapuacute leacutezerdioacutedaacutekat illeti ezekben a dEgdp = 8-835 meVkbar [42] Pozitiacutevum hogy az ilyen dioacutedaacuteknaacutel a kuumlszoumlbaacuteram szinteacuten nyomaacutesfuumlggetlennek bizonyult [42]

Valamelyest kisebb a dEgdp a GaInNAsGaAs alapuacute leacutezerdioacutedaacutek eseteacuteben (72

meVkbar) ( 31 aacutebra) [36] Sajnos alkalmazhatoacutesaacutegukat korlaacutetozza a kuumlszoumlbaacuteram nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel toumlrteacutenő emelkedeacutese (31aacutebra) [36]

Munkaacutem soraacuten volt előszoumlr vizsgaacutelva a hidrosztatikai nyomaacutes hataacutesa

GaInAsSbAlGaAsSb tiacutepusuacute leacutezerstruktuacuteraacutekra (LD6I-LD6III) amelyek 2300-2500 nm-es tartomaacutenyban sugaacuteroztak A meacutert dEgdp=114 meVkbar a legnagyobbnak bizonyult az oumlsszes tanulmaacutenyozott struktuacutera koumlzoumltt (32 aacutebra) [27] Ugyanakkor dEgdT=035 meVK

Aacuteltalunk eacutes koraacutebban maacutesok aacuteltal meacutert leacutezerdioacutedaacutek hangolhatoacutesaacutegaacutenak (vagyis

aacutetlagos dEgdp parameacutetereknek) az oumlsszehasonliacutetaacutesa a 2 taacuteblaacutezatban laacutethatoacute

820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)

30 aacutebra Hidrosztatikai nyomaacutes hataacutesa 980 nm-es InGaAsGaAs leacutezerdioacuteda kisugaacuterzott feacutenyeacutenek hullaacutemhosszaacutera


41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450

6LDIT leacutezer (24μm)

Hul

laacutem

hoss

z (n

m)

Hotildemeacuterseacuteklet (K)

0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)

LD6ITB (24 μm)LD6II (25 μm)

LD6III (23 μm)

32 aacutebra a) Magasnyomaacutes hataacutesa GaSb alapuacute 2400 nm-es leacutezer (LD6ITA)

spektrumaacutera b) hőmeacuterseacuteklet hataacutesa e leacutezerstruktuacutera sugaacuterzaacutesaacutenak hullaacutemhosszaacutera c) ΔEg fuumlggveacutenye a nyomaacutestoacutel 23μ 24μ 25μ-en sugaacuterzoacute GaSb tiacutepusuacute leacutezerdioacutedaacuteknaacutel

1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)

hullaacutemhossz (nm)

0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)

31 aacutebra Hidrosztatikus nyomaacutes hataacutesa GaInNAsGaAs alapuacute 1300 nm-en sugaacuterzoacute

leacutezerdioacuteda a) sugaacuterzaacutesaacutenak spektrumaacutera b) kuumlszoumlbaacuteramaacutera


42

52 Elektronok kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből

A leacutezerek fontos parameacutetereacutere a kuumlszoumlbaacuteramra vonatkozoacutean figyelembe kell

venni az aktiacutev reacuteteget koumlruumllvevő hullaacutemvezeteacutest biacuteztositoacute- eacutes fedő- reacutetegeket Ez azzal magyaraacutezhatoacute hogy maga az aktiacutev reacuteteg nagyon veacutekony ezaacuteltal a feacuteny elektromos tere főleg a szomszeacutedos reacutetegekben oumlsszpontosul (mivel Ωltlt1) valamint a reacutetegvastagsaacuteg miatt a toumllteacuteshordozoacutek egyszerűen kiszoumlknek kiaacuteramolnak az aktiacutev reacutetegből eacutes toumlbbnyire a nem direkt saacutevszerkezetű fedőreacutetegben elvesznek a sugaacuterzaacutesos rekombinaacutecioacute szaacutemaacutera [1315] Az elektronok kiaacuteramlaacutesaacutenak teacutenye eacutes jelentőseacutege maacuter reacutegoacuteta ismert eacutes bizonyiacutetott [15] A kiaacuteramlott toumllteacuteshordoacutezoacutek mennyiseacutegi becsleacuteseacutere azonban elfogadhatoacute eljaacuteraacutes a mai napig nem talaacutelhatoacute az irodalomban A munkaacutenk soraacuten kidolgozott szaacutemiacutetaacutesi moacutedszer ezen probleacutemaacutera adhat megoldaacutest [4546]

Mint azt tudjuk a nyomaacutes noumlveleacutese vaacuteltoztatja a feacutelvezetőben a saacutevok koumlzoumltti taacutevolsaacutegot Ebből kiindulva az Ith(PT) fuumlggveacuteny segiacutetseacutegeacutevel kiszaacutemiacutethatjuk a leacutezerdioacuteda saacutevstruktuacuteraacutejaacutenak egy nagyon fontos parameacutetereacutet meacutegpedig az energiagaacutet eacuterteacutekeacutet (ΔE - 7aacutebra) amely a kvantumgoumldoumlr eacutes az őt koumlruumllvevő p-fedőreacuteteg vezeteacutesi saacutevja koumlzoumltt van Ezen tuacutel meghataacuterozhatoacute az előbbi nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese is

Ez az effektus akkor vaacutelik jelentősseacute ha kis kuumlloumlnbseacuteg van az elektronok energiaacuteja koumlzoumltt az aktiacutev eacutes a p-fedőreacutetegben Ugyanakkor ez a kuumlloumlnbseacuteg fuumlgg a kuumlloumlnboumlző reacutetegek energiasaacutevjainak egymaacuteshoz viszonyiacutetott helyzeteacutetől ami a mai napig nyitott eacutes megvaacutelaszolatlan keacuterdeacutes a struktuacuteraacutek toumlbbseacutegeacuteneacutel Iacutegy van ez akkor is ha toumlbb szaacutemiacutetaacutes eacutes meacutereacutes azt mutatja hogy a feacutelvezető reacutetegek hataacuteraacuten

Hullaacutem-hossztarto-maacuteny (nm)

Alapanyag (goumldoumlrgaacutet) (QWQB)

dEgdp (meVkbar)

(meacutert)

dEgdp (meVkbar) (maacutes forraacutes)

d(PL) dp adatok (meVkbar) (maacutes forraacutes)

Eleacutert maximaacutelis hangolaacutes (nm)

415-425 InGaNGaN 34-36 - 1-19 [49 50] 10 635-690 InGaPAlGaInP 71-81 70-85 [51 ] 72- 90 [5253] 50 780-850 AlGaAsAlGaAs 91-98 10 [54 ] 10-12 [55] 80

980-1020 InGaAsGaAs 105 112 [48 ] 104 [56] 140 13001550 InGaAsPInP

GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700

2 taacuteblaacutezat Kuumlloumlnboumlző leacutezerstruktuacuteraacutek meacutert eacutes irodalomban emliacutetett dEgdp d(PL) dp (PL ndash fotolumineszcencia)


43

(legalaacutebbis a dioacutedastruktuacuteraacuteknaacutel) a vezeteacutesi- eacutes vegyeacuterteacutek saacutevok koumlzti energiagaacutetak toumlbbnyire 31-11 araacutenyban oszlanak meg [14 62 63]

Mivel a nyomaacutes hataacutesaacutera a ΔE (7aacutebra) vaacuteltozik valamint a jelenseacuteg

hőmeacuterseacutekletfuumlggő is fontos tisztaacutezni a kiaacuteramlaacutes termeacuteszeteacutet A keacuterdeacutes megvaacutelaszolaacutesaacutet tovaacutebb neheziacuteti hogy a kiaacuteramlaacutes egyszerre mind a hullaacutemvezeteacutest biacuteztositoacute reacutetegekbe mind pedig a p-fedőreacutetegbe is megvaloacutesulhat baacuter nagy valoacutesziacutenűseacuteggel az utoacutebbi sokkal kaacuterosabb a leacutezer effektus szempontjaacuteboacutel [13 63]

Az aacuteramhordozoacutek kiaacuteramlaacutesaacutenaacutel keacutet jellegeacuteben kuumlloumlnboumlző jelenseacutegről beszeacutelhetuumlnk diffuacutezioacuteroacutel eacutes sodroacutedaacutesroacutel (drift) [13] Az előbbi az elektronok koncentraacutecioacutejaacutenak gradienseacutevel az utoacutebbi a p-n aacutetmenetben leacutetrejoumlvő elektromos teacuterrel hozhatoacute kapcsolatba Ugyanakkor mind a keacutet esetben a hidrosztatikai nyomaacutes hataacutesaacutera az aktiacutev reacutetegben emelkedik a vezeteacutesi saacutev Brillouin zoacutena Γ- minimuma eacutes ereszkedik az X-minimum a fedőreacutetegben (hasonloacutean a 12aacutebraacutehoz) Ez a keacutet energiaszint egymaacuteshoz valoacute koumlzeledeacuteseacutet eredmeacutenyezi eacutes noumlveli az aktiacutev reacutetegből kiaacuteramlott elektronok szaacutemaacutet (ami akaacuter a Fermi- akaacuter a Boltzmann-statisztika figyelembeveacuteteleacutevel egyszerűen magyaraacutezhatoacute) A kiaacuteramlott toumllteacuteshordozoacutek biztosiacutetjaacutek a sugaacuterzaacutesmentes rekombinaacutecioacutes folyamatok noumlvekedeacuteseacutet a sugaacuterzaacutesos rekombinaacutecioacutes folyamatok rovaacutesaacutera Ennek eredmeacutenye a kuumlszoumlbaacuteram szintjeacutenek emelkedeacutese Mivel a Γ- minimum energiaszintje a kuumlloumlnboumlző szomszeacutedos feacutelvezető reacutetegekben hasonloacutekeacuteppen fuumlgg a nyomaacutestoacutel (e jelenseacuteg bonyoliacutethatja a helyzetet) viszont a nyomaacutes vaacuteltozaacutesaacuteval nem vaacuteltozik az energiagaacutet a reacutetegek Γ- minimumai koumlzoumltt eacutes szerepe valoacutesziacutenűleg nem szaacutemottevő E felteveacutest igazolja az hogy a leacutezerstruktuacuteraacutek toumlbbseacutegeacuteneacutel nem eacuteszleltuumlnk olyan sugaacuterzaacutest amely e reacutetegek Eg-jeacutenek felelne meg Ezeacutert eltekintve a jelenteacutektelenebb effektusoktoacutel az aacuteltalaacutenos kiaacuteramlaacutesi modell leegyszerűsiacutethető eacutes a kiaacuteramlaacutest csak a p-fedőreacuteteg X- minimumaacuteba tekintjuumlk dominaacutensnak [4546]

Mint ismeretes a kiaacuteramlott elektronok aacuteramsűrűseacutege a koumlvetkezőkeacuteppen iacuterhatoacute fel [13]

( ))2(1)4(11)4(11 22220 zxzLcthzLNqDJ pnnnL +++= (31)

ahol q ndash az elektron toumllteacutese xp ndash a p-fedőreacuteteg vastagsaacutega Ln ndash kisebbseacutegi elektronok diffuacutezioacutes uacutethossza a p-fedőreacutetegben Dn ndash a kisebbseacutegi elektronok diffuacutezioacutes egyuumltthatoacuteja [Dn=μn(kTq)] μn ndash az elektronok mozgeacutekonysaacutega k ndash a Boltzmann-aacutellandoacute T ndash abszoluacutet hőmeacuterseacuteklet


44

A (31) egyenletben z a drift-aacuteram komponenst keacutepviseli

tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)

ahol σp ndash a p- fedőreacuteteg fajlagos vezetőkeacutepesseacutege Jtot ndash a teljes aacuteramsűrűseacuteg N0 a kisebbseacutegi elektronok koncentraacutecioacuteja a p- fedőreacutetegben ami a koumlvetkező moacutedon adhatoacute meg [13]

)exp(2

223

20 kTEkTm

N X Δminus⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

hπ (33)

ahol mX ndash az elektronok effektiacutev toumlmege a p- fedőreacuteteg X- minimumaacuteban ΔEndash a Γ-X minimumok koumlzoumltti energiakuumlloumlnbseacuteg melyet az elektronoknak aacutet kell leacutepniuumlk a kiaacuteramlaacutes eacuterdekeacuteben

Kis meacuterteacutekben adaleacutekolt p- fedőreacuteteg eseteacuteben dominaacutel a drift-komponens Ugyanakkor az erősen adaleacutekolt p- fedőreacuteteg eseteacuteben (belső elektromos teacuter aacuternyeacutekolt) csak a diffuacutezioacute a meghataacuterozoacute [13]

n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)

Nagy aacuteramsűrűseacuteg eacutes kis fajlagos vezetőkeacutepesseacuteg (σp) eseteacuten a sodroacutedaacutesos komponens a dominaacuteloacute [13]

p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)

Mivel a (31) egyenlet tuacutel aacuteltalaacutenos eacutes tuacutel sok ismeretlen parameacutetert

tartalmaz ezeacutert a tovaacutebbiakban csak keacutet szeacutelsőseacuteges esetet vizsgaacutelunk ahol az elektronok kiaacuteramlaacutesa i) csak drift vagy ii) csak diffuacutezioacutes termeacuteszetű Figyelembe kell venni tovaacutebbaacute hogy a ΔE nyomaacutesfuumlggő azaz joacute koumlzeliacuteteacutesnek tekinthető a koumlvetkező alakban toumlrteacutenő feliacuteraacutesa ΔE=ΔE0-αp ahol ΔE0 ndash az energiagaacutet eacuterteacuteke nulla nyomaacutesnaacutel p ndash a hidrosztatikai nyomaacutes α=d(ΔE)dp minus a Γ-X minimumok koumlzoumltti taacutevolsaacuteg nyomaacutes aacuteltal indukaacutelt csoumlkkeneacutes egyuumltthatoacuteja (AlGaInP struktuacuteraacutek eseteacuteben 10 meVkbar AlGaAs eseteacuteben 12 meVkbar [46]) A teljes elektron aacuteram kiaacuteramlaacutesa IL=JLmiddotS ahol S ndash a p-n aacutetmenet keresztmetszete A keacutet szeacutelsőseacuteges esetre vonatkozoacutean az előbbiekből meghataacuterozhatoacute a teljes kiaacuteramlaacutes [46]


45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)

ahol A eacutes ΔE0 - nyomaacutestoacutel eacutes hőmeacuterseacuteklettől fuumlggetlen parameacuteterek

Termeacuteszetesen figyelembe kell venni azt is hogy a sugaacuterzaacutesos aacuteramkomponens (Jr) kapcsolatban van a toumllteacuteshordozoacutek koncentraacutecioacutejaacuteval (n) ami a kuumlszoumlbaacuteramnaacutel a koumlvetkezőkeacuteppen iacuterhatoacute fel Jr=B0nth

2 ahol B0 ndash sugaacuterzaacutesos rekombinaacutecioacutes egyuumltthatoacute mely a tiltott saacutev (aktiacutev reacutetegben) nagysaacutegaacutetoacutel eacutes a hőmeacuterseacuteklettől a koumlvetkezőkeacuteppen fuumlgg B0~ EgkT [19]

A kuumlszoumlbaacuteramnak eacutes az aacutetlaacutetszoacutesaacuteg aacutellapotaacutenak megfelelő

elektronkoncentraacutecioacute (ntr) koumlzoumltt egy egyszerű oumlsszefuumlggeacutes aacutell fenn nth= ntr+Δ n ahol Δn ndash nyomaacutestoacutel fuumlggetlen aacutellandoacute [19] Az aacutetlaacutetszoacutesaacutegnak megfelelő elektronkoncentraacutecioacute [45]

)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)

ahol Lz ndash a potenciaacutelgoumldoumlr szeacutelesseacutege mh eacutes mc ndash a lyukak eacutes elektronok effektiacutev toumlmege

A fentebb leiacutertakboacutel koumlvetkezik hogy az aacuteram hasznos sugaacuterzaacutesos reacutesze egyenes araacutenyban vaacuteltozik a hőmeacuterseacuteklettel Ugyanakkor a sugaacuterzaacutesmentes rekombinaacutecioacute egyenes araacutenyban aacutell a nthτ ahol τ - a toumllteacuteshordozoacutek sugaacuterzaacutesmentes rekombinaacutecioacutejaacutenak eacutelettartama Vagyis első koumlzeliacuteteacutesben elfogadhatoacute az a felteveacutes hogy a toumllteacuteshordozoacutek aacuteramaacutenak nem sugaacuterzaacutesos reacutesze szinteacuten araacutenyos a hőmeacuterseacuteklettel [45]

Oumlsszegezve tehaacutet azt mondhatjuk hogy bizonyos megkoumlteacutesek mellett az

aacuteramkuumlszoumlbneacutel az aacuteram egy reacutesze amely sugaacuterzaacutesos eacutes nem sugaacuterzaacutesos komponensekből aacutell a koumlvetkezőkeacuteppen iacuterhatoacute le Ith=BkT ahol B ndash konstans Valoacutesziacutenűleg jobb megkoumlzeliacuteteacutese e komponensnek egy aacuteltalaacutenos exponenciaacutelis fuumlggeacutes lenne (Ith=Bexp(TT0)) de ez egy tovaacutebbi ismeretlen parameacuteter T0 (amely


46

zeacuteroacute nyomaacutesnaacutel a 19 egyenletben ismertetett karakterisztikus hőmeacuterseacutekletnek felel meg de maacuter maga is nyomaacutesfuumlggő lehet) bevezeteacuteseacutet igeacutenyli

A gyakorlatban kideruumllt hogy a lineaacuteris megkoumlzeliacuteteacutessel is informaacutecioacutet

nyerhetuumlnk az aktiacutevreacuteteg eacutes a p-fedőreacuteteg koumlzoumltti energiareacutesre (ΔE0) vonatkozoacutean Tovaacutebbaacute ha a BkT kuumlszoumlbaacuteram-komponenst egyeztetjuumlk a (36)-(37) egyenletekkel akkor a koumlvetkezőre jutunk [4546]

( ) BkTkT

EpkTATpI difftot +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)

A keacutet modell figyelembeveacuteteleacutevel vizsgaacuteltuk toumlbb leacutezerdioacuteda

kuumlszoumlbaacuteramaacutenak nyomaacutes- eacutes hőmeacuterseacutekletfuumlggeacuteseacutet A haacuterom ismeretlen parameacuteter (A B ΔE0) meghataacuterozaacutesa ceacuteljaacuteboacutel a meacutert Ith(pT) goumlrbeacuteket elmeacuteleti szaacutemolaacutesok ((39)-(40)) eredmeacutenyeihez illesztettuumlk

660 nm-en vilaacutegiacutetoacute InGaPAlGaInP leacutezer (SLI gyaacutertmaacuteny hangolhatoacutesaacutega a

29 aacutebraacuten laacutethatoacute) eseteacuten a diffuacutezioacutes modellel ΔE0 eacuterteacutekeacutere 386 meV-ot kaptam Ugyanakkor a drift-modell reaacutelisabb eredmeacutenyt adott ΔE0 = 215 meV (33 aacutebra) [46]


47

690 nm-en vilaacutegiacutetoacute InGaPAlGaInP leacutezer (Hitachi gyaacutertmaacuteny 1 taacuteblaacutezat)

eseteacuten a diffuacutezioacutes modellel szaacutemolva ΔE0 =507 meV de hasonloacutean az előbbi struktuacuteraacutehoz a drift modell szinteacuten reaacutelisabb ΔE0 =282 meV eacuterteacuteket ad (34aacutebra) [46]

780 nm-en vilaacutegiacutetoacute GaAsAlGaAs leacutezer (1 taacuteblaacutezat) eseteacuten a diffuacutezioacutes

modellel szaacutemolva ΔE0 = 480 meV Hasonloacutean az előbbi struktuacuteraacutehoz a drift modellből kapott eredmeacuteny szinteacuten reaacutelisabbnak tűnik ΔE0 =300 meV (35aacutebra)

[46]

Ezen eredmeacutenyeket elemezve haacuterom fontos konzekvenciaacutet vontunk le

1) a kuumlszoumlbaacuteram p-T

diagramjai segiacutetseacutegeacutevel az aacuteramhordozoacutek kiaacuteramlaacutesaacutet mennyiseacutegileg lehet tanulmaacutenyozni modellezni illetve a fedő eacutes az aktiacutev reacutetegek vezeteacutesi saacutevjainak energiakuumlloumlnbseacutegeacutet lehet kiszaacutemiacutetani amit maacutes moacutedszerrel neheacutez

0 5 10 15 400 500 600 700 800 900

1000 660nm 200 mW leacutezerdioacuteda

I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60

70 690 nm 30 mW leacutezerdioacuteda

I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit

33 aacutebra Meacutert kuumlszoumlbaacuteram p-T diagram 660 nm-es InGaPAlGaInP leacutezerdioacutedaacutenaacutel

eacutes az illesztett elmeacuteleti goumlrbe (drift-modell (40)) ΔE0=215 meV

34 aacutebra Meacutert kuumlszoumlbaacuteram p-T diagram 690 nm-es InGaPAlGaInP leacutezerdioacutedaacutenaacutel eacutes az illesztett elmeacuteleti goumlrbe (drift-modell (40))

ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90

100 110 780 nm 10 mW leacutezerdioacuteda

I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit

35 aacutebra Meacutert kuumlszoumlbaacuteram p-T diagram 780 nm-es GaAsAlGaAs leacutezerdioacutedaacutenaacutel eacutes az illesztett elmeacuteleti

goumlrbe (drift-modell (40)) ΔE0=300 meV


48

megvaloacutesiacutetani 2) a tanulmaacutenyozott InGaPAlGaInP GaAsAlGaAs leacutezerstruktuacuteraacutek

eseteacuteben nagy valoacutesziacutenűseacuteggel a sodroacutedaacutesos kiaacuteramlaacutesi komponens a dominaacuteloacute

3) az ilyen leacutezerstruktuacuteraacutek eseteacuteben a sodroacutedaacutesos aacuteramkomponens a 40 egyenlet segiacutetseacutegeacutevel iacuterhatoacute le ami termeacuteszetesen maacutes leacutezerstruktuacuteraacutek eseteacuteben nem zaacuterja ki a diffuacutezioacutes komponens dominaacutelaacutesaacutet vagy maacutes megkoumlzeliacuteteacutesi modellek alkalmazaacutesaacutet (melyek elteacuterhetnek a (39)-(40) aacutebraacutezolttoacutel)

53 Feacutelvezető leacutezerek anomaacutelis aacuteram-feszuumlltseacuteg fuumlggeacutese magas

nyomaacutes alatt Az elektronok aktiacutev reacutetegből toumlrteacutenő kiaacuteramlaacutesa azon tuacutelmenően hogy

jelentősen befolyaacutesolja a kuumlszoumlbaacuteram eacuterteacutekeacutet a leacutezerdioacuteda egyeacuteb parameacutetereinek vaacuteltozaacutesaacutehoz is vezet Mint ahogy azt koraacutebban maacuter bemutattam ilyen parameacuteter a kuumlszoumlbaacuteram eleacutereacuteseacutet jelző IdVdI goumlrbe ugraacutesszerű vaacuteltozaacutesa (5 aacutebra) amely a differenciaacutelis ellenaacutellaacutes (dVdI) csoumlkkeneacuteseacutet jelenti a homoepitaxiaacutelis leacutezer a heteroszerkezetű leacutezer [6465] eacutes a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr leacutezer [66] eseteacuten Ugyanakkor a szakirodalomban megtalaacutelhatoacute neacutehaacuteny olyan koumlzlemeacuteny is [6567] melyben a szerzők arroacutel szaacutemolnak be hogy a leacutezerstruktuacutera hőmeacuterseacutekleteacutenek vaacuteltozaacutesa előideacutezhet fordiacutetott jelenseacuteget is ndash anomaacutelis vaacuteltozaacutes figyelhető meg a IdVdI goumlrbe jellegeacuteben a kuumlszoumlbaacuteram eleacutereacutesekor A jelenseacutegre keacutetfeacutele magyaraacutezat adhatoacute 1) toumllteacuteshordozoacutek (elektronok) kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből a szomszeacuted reacutetegekbe illetve e reacutetegek ellenaacutellaacutesaacutenak fuumlggeacutese az injektaacutelt toumllteacuteshordozoacutek koncentraacutecioacutejaacutetoacutel [6567] 2) a struktuacutera fotovezeteacutessel vaacutelaszol a kuumllső feacutennyel toumlrteacutenő gerjeszteacutesre [68] Neacutemely aacuteltalunk vizsgaacutelt struktuacuteraacutenaacutel a hidrosztatikai nyomaacutes illetve a hőmeacuterseacutekletcsoumlkkeneacutes hataacutesaacutera hasonloacute anomaacutelis effektus volt megfigyelhető [35] Ilyen volt peacuteldaacuteul az AlGaAsAlGaAs alapuacute LD3 LD4 leacutezerek eacutes az egymoacutedusuacute (785 nm-en vilaacutegiacutetoacute) Sanyo (DL-7140-201 Ith= 30mA P=1bar T=300K) tiacutepusuacute leacutezerdioacuteda (36 aacutebra)


49

Ha oumlsszehasonliacutetjuk a 36-37 aacutebraacutekat laacutethatjuk hogy a hőmeacuterseacuteklet is meg

a nyomaacutes vaacuteltozaacutesa is leacutenyegesen vaacuteltoztathatja az IdVdI goumlrbe jellegeacutet a kuumlszoumlbaacuteram koumlzeleacuteben Ebből arra koumlvetkeztethetuumlnk hogy mind a hőmeacuterseacuteklet csoumlkkeneacutese mind pedig a hidrosztatikai nyomaacutes noumlvekedeacutese bizonyos leacutezerstruktuacuteraacutek eseteacuteben a differenciaacutelis ellenaacutellaacutes noumlvekedeacuteseacutehez vezethet kuumlszoumlbaacuteramnaacutel adott esetben az AlGaAsAlGaAs alapuacute leacutezerstruktuacuteraacutekban

Aacuteltalaacutenosan elfogadott teacuteny hogy a dioacuteda p-n nyitoacuteiraacutenyuacute előfesziacuteteacutesekor

eacuterveacutenyes aacuteram-feszuumlltseacuteg fuumlggeacuteseacutenek egyenlete (7) eacuterveacutenyes a leacutezerdioacutedaacutekra is ahol n toumlbbnyire 1 eacutes 2 koumlzoumltti eacuterteacutek Mivel ( )[ ] 1exp gtgtminus sIRVβ a (7) egyenletet egyszerűsiacutethetjuumlk

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 11 kbaacuter

Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)

N y o m aacute s ( k b aacute r )

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)

37 aacutebra Anomaacutelis IdVdI ugraacutes nyomaacutesfuumlggeacutese (kuumlszoumlbaacuteramnaacutel)

0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)

Aacuteram (mA)0 10 20 30 40

50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)

hotildemeacuterseacuteklet (K)

36 aacutebra Anomaacutelis IdVdI ugraacutes hőmeacuterseacutekletfuumlggeacutese (kuumlszoumlbaacuteramnaacutel)


50

( )[ ]ss IRVII minus= βexp (41)

A dioacutedaacuten eső teljes feszuumlltseacuteget (U(I)) feliacuterhatjuk az alaacutebbi formaacuteban [35]

( ) ( ) ( ) sIICphs

s IRVVIIIRIVIVIU +Δ+Δ+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1

β a p-n aacutetmenet nyitoacutefeszuumlltseacutege ( ) IICph VVIV Δ+Δ=Δ

nem lineaacuteris fotoindukaacutelt (ph) eacutes toumllteacuteshordozoacutek injekcioacuteja aacuteltal indukaacutelt (IIC) effektusok oumlsszesseacutege A (42) egyenletből koumlvetkezik a differenciaacutelis ellenaacutellaacutes kuumlszoumlbaacuteramnaacutel valoacute vaacuteltozaacutesa

( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)

Vagyis feszuumlltseacuteg ugraacutesszerű vaacuteltozaacutesa a p-n aacutetmeneten kuumlszoumlbaacuteramnaacutel

( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)

Ami a fotoindukaacutelt aacuteramot illeti joacute minőseacutegű leacutezerneacutel ez elenyeacuteszőnek tekinthető ugyanakkor rosszabb minőseacutegű struktuacuteraacuteknaacutel kuumlloumlnoumlsen nagy feacutenyintenzitaacutes eseteacuten (kuumlszoumlbaacuteram eleacutereacutese utaacuten) a kvantumpotenciaacutel-gaacutetakban indukaacuteloacutedhatnak toumllteacuteshordozoacutek ami nyilvaacuten az utoacutebbiak ellenaacutellaacutes-vaacuteltozaacutesaacutet vaacutelthatja ki Nem elhanyagolhatoacute a toumllteacuteshordozoacutek kiaacuteramlaacutesa kvantumgoumldoumlrből mivel ez a szomszeacutedos reacutetegek (kvantumpotenciaacutel-gaacutetak) ellenaacutellaacutesaacutenak jelentős vaacuteltozaacutesaacutet eredmeacutenyezheti (azok aacuteltalaacuteban nem vagy alig adaleacutekoltak ezeacutert ellenaacutellaacutesuk eleacuteg magas) A kuumlszoumlbaacuteram eleacutereacuteseacuteneacutel a toumllteacuteshordozoacutek kiaacuteramlaacutesa ugraacutesszerűen csoumlkken mivel jelentősen nő a sugaacuterzaacutesos rekombinaacutecioacute vagyis csoumlkken a kiaacuteramolhatoacute elektronok szaacutema eacutes ezaacuteltal nő a hullaacutemvezető reacuteteg (waveguide) differenciaacutelis ellenaacutellaacutesa [35] A jelenseacuteget bizonyos megkoumlzeliacuteteacutessel modellezhetjuumlk is

A hullaacutemvezető reacuteteg ellenaacutellaacutesaacutet a koumlvetkező egyenlettel iacutertuk le [35]

( )( )( )SbINedR += 1 μ (45) ahol d ndash hullaacutevezetőreacuteteg vastagsaacutega μ ndash az elektronok mozgeacutekonysaacutega b ndash a lyuk-elektron viszonylagos mozgeacutekonysaacutega e ndash az elektron toumllteacutese N(I) ndash a


51

hullaacutemvezető reacutetegbe termikusan injektaacutelt toumllteacuteshordozoacutek koncentraacutecioacuteja (meacuterteacuteke fuumlgg az aacuteram eacuterteacutekeacutetől eacutes főleg a leacutezereffektus kuumlszoumlbszintje alatt jelentős) S ndash az aktiacutev reacuteteg effektiacutev keresztmetszete A ΔVIIC egyenlő az aacuteram (I) eacutes ellenaacutellaacutes (R) szorzataacuteval

RIVIIC sdot=Δ (46) differenciaacutelhaacutenyadosaacutet veacuteve eacutes felhasznaacutelva a (45) egyenletet a fedőreacuteteg differenciaacutelis ellenaacutellaacutesaacutet leiacuteroacute egyenlethez jutunk [35]

( )( )dIdN

NIRdI

Vd IIC minus=Δ 1 (47)

Az egyenletből laacutethatjuk hogy ha az N(I) fuumlggveacuteny lineaacuteristoacutel elteacuterő a differenciaacutelis ellenaacutellaacutes akaacuter negatiacutev is lehet Az egyszerűseacuteg kedveacuteeacutert az N(I) fuumlggeacutest peacuteldaacuteul a koumlvetkezőkeacuteppen iacuterjuk fel [35]

( ) mcIIN = (48) ahol c m ndash aacutellandoacutek Ebben az esetben

( )1minusminus=Δ mRdIVd IIC (49)

melyből koumlvetkezik hogy a differenciaacutelis ellenaacutellaacutes negatiacutev ha m gt1

A kuumlszoumlbaacuteram alatt a leacutezerdioacuteda teljes differenciaacutelis ellenaacutellaacutesa a (4247) egyenleteknek megfelelően a koumlvetkezőkeacuteppen adhatoacute meg

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)

A kuumlszoumlbaacuteram felett a dioacuteda differenciaacutelis ellenaacutellaacutesa ugraacutesszerűen vaacuteltozik mivel 1(βIth) eacutes dNdI egyenlő nullaacuteval vagyis

ths RRdIdU +=

+ (51)

A differenciaacutelis ellenaacutellaacutes ugraacutesa [35]


52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+minus=minus=Δ

minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)

A (48) egyenletnek megfelelően

( ) ( ) thth

mRIdIdU +minus=Δ β

1 (53)

Az (53) egyenletből laacutethatjuk hogy az anomaacutelis differenciaacutelis ellenaacutellaacutesugraacutes felteacutetele [35]

( ) 01 gtminusth

th ImR β vagy ( )thth mIR β

1gt (54)

Ha Rth=1(βmIth) akkor a differenciaacutelis ellenaacutellaacutesnak nincs ugraacutesszerű vaacuteltozaacutesa

A 38 aacutebraacuten laacutethatoacute a IdVdI fuumlggeacutes modellszaacutemolaacutesaink alapjaacuten a koumlvetkező parameacuteterekkel toumlrteacutent [35] 1=m meV501 =β

mAIth 20= Az

egyszerűseacuteg kedveacuteeacutert a kuumlszoumlbaacuteram ebben az esetben mint aacutellandoacute parameacuteter szerepel A becsleacuteseink azt mutatjaacutek hogy 1 Ohmos ellenaacutellaacutes a koumlvetkező parameacuteterek eseteacuteben vaacuterhatoacute

cmd 5103 minus= 25102 cmA minus= Vscm2

2400=μ

20=b 31510536 minus= cmN A toumllteacuteshordoacutezoacutek koncentraacutecioacuteja a hullaacutemvezető reacutetegben 1015 ndash 1016cm-3 koumlruumlli ami 2-3 nagysaacutegrenddel kisebb attoacutel ami az aktiacutev reacutetegben van Az (53) egyenletből laacutethatoacute hogy a normaacutelis differenciaacutelis ellenaacutellaacutes-vaacuteltozaacutes akkor maximaacutelis ha Rth=0 vagy m=0 [35]

Az előző fejezetben

megmutattuk hogy mikeacuteppen hat a nyomaacutes eacutes a hőmeacuterseacuteklet a kuumlszoumlbaacuteramra ugyanakkor

0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)

38 aacutebra IdVdI modellezeacutese a fedőreacuteteg-ellenaacutellaacutes

(Rth) fuumlggveacutenyeacuteben


53

tovaacutebbra is ismeretlen a kapcsolat e parameacuteterek eacutes az m koumlzoumltt A nyomaacutes eacutes hőmeacuterseacuteklet hataacutesa az Rth -ra csak becsleacutesekre alapozhatoacute a hőmeacuterseacuteklet csoumlkkeneacutese eacutes a nyomaacutes egyidejű noumlvekedeacutese nagy valoacutesziacutenűseacuteggel noumlveli a kvantumgoumldroumlt hataacuteroloacute reacutetegek (amelyek aacuteltalaacuteban alig vagy egyaacuteltalaacuten nem adaleacutekoltak) kezdeti ellenaacutellaacutesaacutet mivel kifagyasztja bennuumlk a toumllteacuteshordoacutezoacutekat eacutes ez anomaacutelis differenciaacutelis ellenaacutellaacutesvaacuteltozaacutest (ugraacutest) eredmeacutenyezhet kuumlszoumlbaacuteramnaacutel

A toumllteacuteshordozoacute-injekcioacutehoz hasonloacute effektus eacuterhető el fotoindukaacutelt

toumllteacuteshordoacutezoacute-gerjeszteacutessel az aktiacutev saacutevot hataacuteroloacute reacutetegekben de ennek valoacutesziacutenűseacutege igen csekeacutely a joacute minőseacutegű struktuacuteraacutenaacutel [35]

Az elmondottak alapjaacuten hangsuacutelyoznom kell hogy mind a hőmeacuterseacuteklet

mind a nyomaacutesvaacuteltozaacutes (de kuumlloumlnoumlsen mindkettő egyidejű vaacuteltozaacutesa) gyakran nem vaacutert effektusokat vaacutelthat ki a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerdioacutedaacutek eseteacuteben

54 Belső elektromos teacuter aacuternyeacutekolaacutesa GaN alapuacute leacutezerekneacutel

elektron- injekcioacute eacutes Si adaleacutekolaacutes aacuteltal Mint az előbbiekben bemutattam a nyomaacutes alkalmazaacutesa segiacutethet a saacutevstruktuacutera tanulmaacutenyozaacutesaacuteban (peacuteldaacuteul az elektronkiaacuteramlaacutes alapjaacuten) Ugyanakkor egeacuteszen maacutes fizikai jelenseacutegek vizsgaacutelataacutera is felhasznaacutelhatoacute a hidrosztatikai nyomaacutes Ilyen peacuteldaacuteul az InGaNGaN alapuacute leacutezerek magasnyomaacutesuacute elektromos eacutes optikai vizsgaacutelatai soraacuten nyert eredmeacutenyek alapjaacuten a belső elektromos teacuter leacutetezeacuteseacutenek bizonyiacutetaacutesa

E teacuter leacutetezeacutese kiveacuteteles eacuterdeklődeacutes taacutergyaacutet keacutepezi mivel felteacutetelezhetően jelenleacutete felelős azeacutert hogy mindeddig nem sikeruumllt joacute parameacuteterekkel rendelkező InGaNGaN leacutezerdioacutedaacutet leacutetrehozni A 390-430 nm-es hullaacutemsaacutevban sugaacuterzoacute GaN leacutezerek azonkiacutevuumll hogy a modern feacutelvezető leacutezerfizika divatos reacuteszeacuteveacute vaacuteltak nagy perspektiacutevaacutekkal kecsegtetnek a gyakorlati alkalmazaacutesok tereacuten is (adattaacuterolaacutes monitorok fejleszteacutese gyoacutegyaacuteszat stb)

Az első ilyen tiacutepusuacute leacutezert Nakamura [69] aacutelliacutetotta elő (a struktuacutera

noumlveszteacutese zafiacuter alapon toumlrteacutent) Azoacuteta a GaN alapuacute leacutezerstruktuacuteraacutek jelentős fejlődeacutesen estek aacutet eacutes termeacuteszetesen javultak a parameacutetereik is Tovaacutebbra sem sikeruumllt azonban olyan minőseacutegű leacutezerdioacutedaacutet leacutetrehozni mint az InGaP GaAs vagy akaacuter a GaSb alapuacute struktuacuteraacutek eseteacuteben A fő probleacutemaacutenak az tűnt hogy InGaNGaN leacutezert eddig csak zafiacuter alapon sikeruumllt noumlveszteni ami nagy feszuumlltseacutegeket eredmeacutenyez a struktuacuteraacuteban a zafiacuter eacutes GaN raacutecsaacutellandoacutek koumlzoumltti


54

elteacutereacutes miatt (9 aacutebra) 2001-ben a Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS laboratoacuteriumaacuteban megjelent az első toumlmbi GaN-on (amelyet rekordminőseacuteg jellemez 100-102cm-2 diacuteszlokaacutecioacute sűrűseacuteg [7071]) noumlvesztett impulzusos moacutedban műkoumldő leacutezerdioacuteda Ez azt is jelentette hogy forradalmi vaacuteltozaacutes toumlrteacutent a keacutek feacutenyű leacutezerdioacutedaacutek gyaacutertaacutesaacuteban Ugyanakkor kideruumllt hogy szaacutemos keacuterdeacutes eacutes probleacutema (magas kuumlszoumlbaacuteram-sűrűseacuteg belső elektromos teacuter ismeretlen optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező szint) amely befolyaacutesolja ezen dioacutedaacutek műkoumldeacuteseacutet meacuteg mindig megvaacutelaszolatlan maradt annak elleneacutere hogy 2005-ben megjelent az első folyamatos uumlzemmoacutedban műkoumldő toumlmbi GaN-on noumlvesztett leacutezer is (szinteacuten a Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS laboratoacuteriumaacuteban)

A gondok fő gyanuacutesiacutetottjai tovaacutebbra is a noumlveszteacutes soraacuten felleacutepő

feszuumlltseacutegek maradtak amelyek belső elektromos teret generaacutelhatnak Ez azzal magyaraacutezhatoacute hogy az InGaNGaN alapuacute leacutezerdioacuteda feacutelvezető anyaga wurtzit szimmetriaacuteval rendelkezik Ezt a heterostruktuacuteraacutet joacuteval nagyobb piezoelektromos aacutellandoacutek valamint a kuumlloumlnboumlző reacutetegek koumlzoumltti joacuteval nagyobb raacutecsaacutellandoacute kuumlloumlnbseacuteg jellemzi mint a GaAs alapuacute struktuacuteraacutet [72] ami szinteacuten probleacutemaacutekat okozhat Az előbbi eredmeacutenye a spontaacuten az utoacutebbiakeacute a piezoelektromos polarizaacutecioacutes beeacutepiacutetett terek leacutetrejoumltte Becsleacutesek szerint e terek feszuumlltseacutege toumlbb

E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)

39 aacutebra a) InGaNGaN leacutezerstruktuacutera b) kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr energiastruktuacuteraacuteja

belső elektromos mező neacutelkuumll c) belső elektromos mező hataacutesa a kvantumgoumldoumlr (InGaN) Eg-jeacutere energiasaacutevok formaacutejaacutera valamint az elektronlyuk szeparaacutecioacuteja a

teacuterben Belső elektromos teacuter kompenzaacutelaacutesa d) toumllteacuteshordozoacutek injekcioacutejaacuteval e) gaacutetak donor (Si) adaleacutekolaacutesaacuteval f) kvantumgoumldroumls rekombinaacutecioacute (aacuternyeacutekolt elektromos teacuter)


55

MVcm is lehet [24 73] Ilyen nagy elektromos feszuumlltseacutegek jelenleacutete a toumllteacuteshordozoacutek teacuterbeli szeacutetvaacutelasztoacutedaacutesaacutet eredmeacutenyezi csoumlkkentve ezaacuteltal az elektronlyuk-paacuterok rekombinaacutecioacutejaacutenak valoacutesziacutenűseacutegeacutet eacutes az energiasaacutevok alakjaacutenak deformaacuteloacutedaacutesaacutehoz vezet (39a-b aacutebra) Ezenkiacutevuumll csoumlkken a tiltott saacutev szeacutelesseacutege is ami a kisugaacuterzott fotonok energiaacutejaacutenak csoumlkkeneacuteseacutet eredmeacutenyezi (39b-c aacutebra) Ha a rekombinaacutecioacute valoacutesziacutenűseacutegeacutenek a noumlvekedeacuteseacutet szeretneacutenk eleacuterni ami elengedhetetlen a leacutezereffektushoz valamilyen moacutedon csoumlkkentenuumlnk kell a belső elektromos teret Lehetőseacuteguumlnk lehet erre peacuteldaacuteul ha valamilyen moacutedon toumllteacuteshordozoacutekat tudunk bejuttatni a nagyfeszuumlltseacutegű teacuterbe aacuternyeacutekolaacutes ceacuteljaacuteboacutel (40 aacutebra) Erre keacutet megoldaacutes kiacutenaacutelkozik 1) kuumllső beavatkozaacutessal ndash optikai gerjeszteacutessel elektronlyuk-paacuterok leacutetrehozaacutesa (ami nem alkalmazhatoacute leacuteveacuten hogy injekcioacutes leacutezerről van szoacute) vagy toumllteacuteshordozoacutek injektaacutelaacutesaacuteval (39d aacutebra) 2) a feacutelvezető anyagok adaleacutekolaacutesaacuteval (39e aacutebra) amely alatt az InGaN gaacutet Si adaleacutekolaacutesa eacutertendő [333444] Az InGaN gaacutet adaleacutekolaacutesa kuumlloumlnoumlsen eacuterdekes mivel kompenzaacutelja a belső elektromos teret vaacuteltoztatva a leacutezerdioacuteda belső struktuacuteraacutejaacutet fuumlggetlenuumll a kuumllső hataacutestoacutel eacutes iacutegy javiacutetja a dioacuteda parameacutetereit

Mivel a belső elektromos teacuter a kvantumgoumldoumlr tiltottsaacutevjaacutet csoumlkkenti [24] az előbbi detektaacutelaacutesaacutera elvileg elegendő volna oumlsszehasonliacutetani keacutet adaleacutekolaacutessal kompenzaacutelt eacutes a nem adaleacutekolt struktuacutera elektromos parameacutetereit (pl kuumlszoumlbaacuteramaacutet vagy a kisugaacuterzott hullaacutemhosszat) amelyben felteacutetelezhető a belső elektromos teacuter leacutetezeacutese Ez egy igen bonyolult feladat mivel neheacutez (kuumlloumlnoumlsen GaN feacutelvezető eseteacuteben) leacutetrehozni keacutet abszoluacutet egyforma struktuacuteraacutet amelyek csak a gaacutetak adaleacutekolaacutesi szintjeacutevel kuumlloumlnboumlzneacutenek egymaacutestoacutel

E E=0

40 aacutebra Belső elektromos teacuter a) hataacutesa a toumllteacuteshordozoacutekra b) aacuternyeacutekolaacutesa

toumllteacuteshordozoacutekkal


56

Ezeket a probleacutemaacutekat sikeruumllt kikuumlszoumlboumllnuumlnk eacutes iacutegy az elektromos teacuter leacutetezeacuteseacutet bizonyiacutetottam azon magasnyomaacutesuacute optikai meacutereacuteseim soraacuten [33347374] amelyekkel a kisugaacuterzott lumineszcencia-spektrum csuacutecsaacutenak (EE) nyomaacutes-aacuteram fuumlggveacuteny dinamikaacutejaacutet vizsgaacuteltam

E ceacutelboacutel keacutet hasonloacute leacutezerstruktuacuteraacutenak (LD1 LD2 - 15 aacutebra melyek főleg a gaacutetak adaleacutekolaacutesaacuteban kuumlloumlnboumlztek) a lumineszcencia spektrumcsuacutecsaacutenak nyomaacutesteacutenyező aacuteramfuumlggveacutenyeacutet meacutertem (41 a aacutebra) [33 34 44]

Az eredmeacuteny oumlsszhangban volt a belső elektromos teacuter leacutetezeacuteseacutenek felteacutetelezeacuteseacutevel valamint azzal hogy az utoacutebbit kompenzaacutelni lehet mind adaleacutekolaacutessal mind pedig a toumllteacuteshordozoacutek injekcioacutejaacuteval A 41c aacutebraacuteboacutel laacutethatoacute hogy kis toumllteacutes injektaacutelaacutesnaacutel (10 mA alatt vagyis kb 150 Acm2 aacuteramsűrűseacuteg alatt) a kisugaacuterzott spektrum maximumaacutenak nyomaacutesfuumlggeacutese a nem adaleacutekolt dioacutedaacutenaacutel (LD1 ndash 25-3 meVkbar) elmarad az adaleacutekolt gaacutetakkal rendelkező leacutezerdioacutedaacuteeacutetoacutel (LD2 ndash 34 meVkbar) [34]

292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)

Nyomaacutes (kbar)0 10 202010

0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V

Foton energiaacuteja (eV)

d)

D2 [Si] QBs= 1times1019 cm-3

D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)

41 aacutebra a) Az elektromos lumineszcencia spektrumcsuacutecsaacutenak nyomaacutestoacutel eacutes aacuteramtoacutel valoacute fuumlggeacutese LD1 10μA 10mA 100mA 400mA 1A LD2 10 μA 300 μA 20mA

100mA 400mA b) dEEdp aacuteraminjekcioacute eacutes donor koncentraacutecioacute fuumlggveacutenye (szimulaacutecioacute) c) meacutert dEEdp aacuteramfuumlggeacutese d) GaN LED (D1 D2) fotoindukaacutelt aacuteram ndash

fotonenergia-fuumlggveacuteny kuumlloumlnboumlző zaacuteroacuteiraacutenyuacute feszuumlltseacutegneacutel [34 44]


57

Magasabb szintű toumllteacuteshordozoacute-injekcioacutenaacutel viszont a keacutet leacutezer eseteacuten a

dEEdp kiegyenliacutetődik (41caacutebra) Szuumlkseacuteges kihangsuacutelyozni hogy a polarizaacutecioacutes elektromos terek teljes aacuternyeacutekolaacutesa kuumlszoumlbaacuteram (1 A) (41caacutebra) koumlzeleacuteben megy veacutegbe (kuumlszoumlbaacuteramsűrűseacuteg - 12 kAcm2 ) [34]

Ez egyeacutertelműen bizonyiacutetja hogy az ilyen toumllteacuteshordozoacute-injekcioacute hasonloacute eredmeacutenyhez vezet mint az adaleacutekolaacutes Ennek szimulaacutecioacutejaacutet elveacutegezve megaacutellapitottuk a szaacutemolt eacuterteacutekek egybeeseacuteseacutet a meacutert eredmeacutenyekkel (41b-caacutebra) [34]

A belső elektromos teacuter leacutetezeacuteseacutet eacutes az utoacutebbi Si-adaleacutekolaacutes aacuteltali kompenzaacutelaacutesaacutet taacutemasztja alaacute keacutet GaN alapuacute LED (D1- nem adaleacutekolt D2- Si- adaleacutekolt gaacutetakkal a struktuacuteraacutejuk hasonloacute a LD1 LD2 leacutezerdioacutedaacutekhoz) fotoindukaacutelt aacuteram ndash fotonenergia-fuumlggveacuteny vizsgaacutelatunk is (41daacutebra [34 44])

De mivel a kuumlszoumlbaacuteram mind a keacutet leacutezerstruktuacutera eseteacuteben 1A koumlruumlli eacutes

nyomaacutesfuumlggetlen ez bizonyiacutetja hogy a belső elektromos teacuter e struktuacuteraacutekban nem jaacutetszik olyan jelentős szerepet a kaacuteros minőseacutegcsoumlkkeneacutesben mint ahogyan az aacuteltalaacutenosan elfogadott

55 Az Auger-effektus kaacuteros hataacutesa GaSb alapuacute leacutezerekre

A leacutezerdioacutedaacutek alkalmazhatoacutesaacutega szempontjaacuteboacutel az utoacutebbi időben a 20-28 μm-es hullaacutemhossztartomaacuteny keruumllt az eacuterdeklődeacutes koumlzeacuteppontjaacuteba Ez azzal magyaraacutezhatoacute hogy az ebben a tartomaacutenyban sugaacuterzoacute feacutenyforraacutesok segiacutetseacutegeacutevel hateacutekony gaacutezdetektaacutelaacutest lehet megvaloacutesiacutetani (pl NH3 ndash 21μm CO ndash 23 μm CH4 ndash 235 μm) [75] Az infravoumlroumls spektrum e reacuteszeacuteben gyakran hasznaacuteljaacutek a GaSb alapuacute leacutezereket detektorokat Ugyanakkor igen neheacutez egyeztetni a feacutelvezető leacutezerdioacutedaacutek kisugaacuterzott feacutenyeacutenek hullaacutemhosszaacutet a kuumlloumlnboumlző gaacutezok abszorpcioacutes vonalaival kuumlloumlnoumlsen ha figyelembe vesszuumlk hogy gyakran ezek a vonalak energetikailag taacutevol esnek egymaacutestoacutel Mivel azonban a GaSb alapuacute leacutezerek nagyon joacutel hangolhatoacutek (51 fejezet) iacutegy a magas nyomaacutes alkalmazaacutesa reaacutelis lehetőseacuteget teremt szaacutemunkra e probleacutema aacutethidalaacutesaacutera A nyomaacutes az ilyen leacutezerdioacutedaacutekra kifejtett hataacutesaacutenak alaposabb vizsgaacutelata soraacuten azonban kideruumllt hogy az aacuteramhordozoacutek kiaacuteramlaacutesaacuten kiacutevuumll egy maacutesik a GaSb alapuacute leacutezerek műkoumldeacuteseacutet negatiacutevan befolyaacutesoloacute jelenseacuteggel is szaacutemolnunk kell Ez az Auger-effektus amely a kuumlszoumlbaacuteram vaacuteltozaacutesaacutet eredmeacutenyezi Meacutereacuteseink kimutattaacutek hogy az e tiacutepusuacute leacutezerek kuumlszoumlbaacuteramszintje igen eacuterzeacutekeny a nyomaacutesra Kiacuteseacuterleteinket toumlbbmoacutedusuacute LD6IT- LD6III (17baacutebra) GaSb leacutezerdioacutedaacuten (melyek 23-25 μm-en sugaacuteroznak) valamint egymoacutedusuacute LD6IE 24 μm-en sugaacuterzoacute leacutezerdioacutedaacuten veacutegeztuumlk (42-43 aacutebra) Meacutereacuteseim [27] azt mutattaacutek


58

hogy a kuumlszoumlbaacuteram minimuma 06 meV foton energiaacutenaacutel mutatkozik ami azt a felteacutetelezeacutest teszi lehetőveacute hogy e jelenseacuteg magaacuteval a feacutelvezető GaSb alapuacute anyag tulajdonsaacutegaival kapcsolatos eacutes nincs oumlsszefuumlggeacutesben a leacutezerek szerkezeti feleacutepiacuteteacuteseacutevel

A szakirodalomboacutel kitűnik [76-78] hogy az Auger-effektus igen jellemző a

GaSb alapuacute struktuacuteraacutekra Ez azzal magyaraacutezhatoacute hogy egyreacuteszt ezen feacutelvezetőkneacutel a tiltottsaacutev igen kicsi maacutesreacuteszt a spin-paacutelya felhasadaacutesaacutenak energiaacuteja azonos nagysaacutegrendű a tiltott saacutevval A tiltottsaacutev nagysaacutegaacuteboacutel arra koumlvetkeztethetuumlnk hogy a nem sugaacuterzaacutesos (CHCC) Auger-rekombinaacutecioacute valoacutesziacutenűseacutege csoumlkken (42 aacutebra) mivel a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel exponenciaacutelisan csoumlkken a CCHCC teacutenyező a (17) egyenletben [19]

( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)

Ez a 0-8 kbaacuter koumlzoumltti nyomaacutestartomaacutenyban kuumlszoumlbaacuteram-csoumlkkeneacutest eredmeacutenyez

A CHSH effektus teacutenyezője (CCHSH) a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel (tuacutel a 8 kbar-on) nő mivel a tiltottsaacutev rezonancia koumlzelbe keruumll a spin-paacutelya felhasadaacutesaacutenak energiaacutejaacuteval vagyis a (17) egyenletben Ea= Ea(CHSH) koumlzeliacutet a nullaacutehoz [19]

0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)

LD6II(25μm)A LD6II(25μm)B LD6III(23 μm)

42 aacutebra A kuumlszoumlbaacuteram nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese 24μm-en sugaacuterzoacute GaSb alapuacute

(LD6ITAB) leacutezer eseteacuten

43 aacutebra Normalizaacutelt kuumlszoumlbaacuteram (Ith Ith (1baacuter)) 23 μm eacutes 25 μm-en sugaacuterzoacute GaSb

alapuacute leacutezerekneacutel a kisugaacuterzott fotonok energiaacutejaacutenak fuumlggveacutenyeacuteben (nyomaacutes hataacutesa

alatt)


59

( ) ( )Δminusminus+

= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)

Egyszerű szaacutemiacutetaacutesok [79] a spin-paacutelya felhasadaacutes-energiaacutejaacutenak nagysaacutegaacutet ilyen oumlsszeteacutetelű feacutelvezetőkben 072 eV-ban hataacuterozzaacutek meg eacutes a tiltott saacutev szeacutelesseacutege 20 kbar koumlruumll eacuteri el ezt a szintet (42aacutebra) Ebben szerepet jaacutetszik tovaacutebbaacute az is hogy a spin-paacutelya felhasadaacutes-energiaacuteja nem eacuterzeacutekeny a hidrosztatikai nyomaacutesra [80] A CHCC tiacutepusuacute Auger-rekombinaacutecioacute szerepeacutet valamelyest gyengiacutetheti az a

teacuteny hogy a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel nő az- Ω (confinement faktor) mivel jelentősen csoumlkken a hullaacutemhossz (32aacutebra) ami szinteacuten kuumlszoumlbaacuteram- csoumlkkeneacutest eredmeacutenyezhet Mivel a kuumlszoumlbaacuteram nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggőseacutegeacutenek vizsgaacutelata soraacuten a kiaacuteramlaacutesi teacutenyező hataacutesaacutet sem lehet kizaacuterni szuumlkseacuteges megvizsgaacutelni a fedőreacuteteg (amely

Al09Ga01As008Sb092 oumlsszeteacutetelű 17b aacutebra) saacutevstruktuacuteraacutejaacutenak vaacuteltozaacutesaacutet

is (45aacutebra) Tanulmaacutenyoztuk a vezeteacutesi saacutev Γ X L energiaminimumainak nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutet Vizsgaacutelataink megmutattaacutek hogy nagy nyomaacutes hataacutesaacutera jelentősen ereszkedik az X- minimum eacutes mivel a fedőreacuteteg eleve indirekt saacutevszerkezetű csoumlkken az energiagaacutet ami a kiaacuteramlaacutes noumlvekedeacuteseacutet eredmeacutenyezheti (45 aacutebra)

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90

100 110 120 130 egymoacutedusuacute lezeacuter LD6IE

λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)

44 aacutebra A kuumlszoumlbaacuteram nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacutese

24μm-en sugaacuterzoacute egymoacutedusuacute GaSb alapuacute (LD6IE) leacutezer eseteacuteben


60

Ugyanakkor mivel maga az energiagaacutet amelyet az elektronoknak aacutet kell leacutepniuumlk a kiaacuteramlaacutes ceacuteljaacuteboacutel meacuteg igen jelentős (gt500meV laacutesd 45aacutebra) ha oumlsszehasonliacutetjuk az InGaPAlGaInP vagy GaAsAlGaAs tiacutepusuacute leacutezerstruktuacuteraacutek elektronkiaacuteramlaacutesi gaacutetjaacuteval (52 fejezet) megaacutellapiacutethatjuk hogy a kiaacuteramlaacutesi teacutenyező nem lehet dominaacutens baacuter neacutemi csekeacutely szerepe lehet Ezt megerősiacuteti az InGaAsSbAlGaAsSb leacutezer (LD6IT) kuumlszoumlbaacuteram diagramja ndashIth(PT) (46aacutebra) Tiszta CCHSH tiacutepusuacute

Auger-effektusnaacutel aacutethaladva az Eg-Δ (tiltott saacutev ndash spin-paacutelya felhasadaacutes) rezonanciaacuten

(hőmeacuterseacutekletcsoumlkkeneacutesneacutel) azaz aacutetleacutepve a 072eV koumlruumlli szintet (amely Δ-nak felel meg eacutes alig fuumlgg a hőmeacuterseacuteklettől) nagy valoacutesziacutenűseacuteggel kuumlszoumlbaacuteram csoumlkkeneacutest kellene tapasztalnunk (ekkor az Ith(Eg) goumlrbeacutenek a 46aacutebraacuten lefeleacute kellene hajlania magas nyomaacutesnaacutel eacutes alacsony hőmeacuterseacutekletneacutel) Ilyen effektust meacutereacuteseink soraacuten nem laacutettunk (46aacutebra) ami azt jelenti hogy valoacutesziacutenűleg a

P = 0kbar P = 20 kbar

elektron kiaacuteramlaacutes

dEΓdP = +11 meVkbar dELdP = + 6 meVkbardEXdP = - 1 meVkbar

E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV

Al090Ga010As008Sb092

45 aacutebra A vezeteacutesisaacutev-vaacuteltozaacutes a nyomaacutes hataacutesaacutera GaSb alapuacute 24μm-en sugaacuterzoacute (LD6I) leacutezerdioacutedaacutenaacutel eacutes az indirekt Al09Ga01As008Sb092 hataacuteroloacute reacutetegbe toumlrteacutenő

elektronkiaacuteramlaacutes

050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC

46 aacutebra A kuumlszoumlbaacuteram eacuterteacutekeacutenek fuumlggeacutese a kisugaacuterzott fotonok energiaacutejaacutetoacutel (nyomaacutestoacutel eacutes hőmeacuterseacuteklettől) 24 μm-en sugaacuterzoacute (LD6IT)

InGaAsSbAlGaAsSb leacutezerneacutel


61

kiaacuteramlaacutesi teacutenyező sem kizaacutert legalaacutebbis az emliacutetett csekeacutely meacuterteacutekben Ugyancsak nem zaacuterhatoacute ki teljesen a fonon-asszisztaacutelt CCHSH tiacutepusuacute Auger-

effektus sem (8aacutebra) de ebben az esetben is valoacutesziacutenűleg Eg-Δ rezonancia vaacuterhatoacute mivel a fonon-asszisztaacutelt CCHSH tiacutepusuacute Auger-effektus teacutenyező a (16) egyenletben a maximumaacutet eacuteri el akkor amikor Eg-Δasymp0 ami a koumlvetkezőből laacutethatoacute [19]

( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)

Oumlsszegezve az InGaAsSbAlGaAsSb leacutezerdioacutedaacutek kuumlszoumlbaacuteram p eacutes p-T diagramjainak tanulmaacutenyozaacutesaacuteval eleacutert eredmeacutenyeket azt lehet keacutetseacuteget kizaacuteroacutean aacutelliacutetani hogy ezen struktuacuteraacutek eseteacuteben dominaacutens szerepe van az Auger- effektusnak Ezzel szaacutemolni kell akaacuter a magas nyomaacutest mint leacutezersugaacuterzaacutest hangoloacute moacutedszert tervezzuumlk alkalmazni akaacuter pedig akkor ha e leacutezerstruktuacuteraacutek fejleszteacuteseacutevel kiacutevaacutenunk foglalkozni A kuumlloumlnboumlző Auger- rekombinaacutecioacutes folyamatok szerepeacutenek mennyiseacutegi becsleacuteseacutere ugyanakkor tovaacutebbi vizsgaacutelatokra van szuumlkseacuteg

56 Optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező tanulmaacutenyozaacutesa valamint kuumllső rezonaacutetor hasznaacutelataacutenak lehetőseacutegei magas nyomaacutes alatt

A vizsgaacutelt egymoacutedusuacute leacutezerdioacutedaacutek egyes fajtaacutein sikeruumllt magas nyomaacutes alatt

moacutedus optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezőt meacuterni A moacutedus optikai erősiacuteteacutesi teacutenyezőnek a szaacutemiacutetaacutesa Hakki-Paoli- moacutedszerrel toumlrteacutent (14) [36] A vizsgaacutelt GaInNAsGaAs alapuacute kvaacutezi egymoacutedusuacute leacutezerdioacuteda eseteacuteben (LED5) meacutereacuteseim kimutattaacutek hogy a kuumlszoumlbaacuteram a toumlbbszoumlroumlseacutere (25-szer 0 eacutes 12 kbar koumlzt 31b aacutebra) nő a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel ami vaacuterhatoacute is volt mivel e struktuacuteraacutekat a GaSb struktuacuteraacutekhoz hasonloacutean szinteacuten az Auger-effektus jelenleacutete jellemzi Ez a vezeteacutesi saacutev nem parabolikus alakjaacuteval magyaraacutezhatoacute [81]

A moacutedus optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező egyharmadaacuteval csoumlkken (0 eacutes 216 kbar

koumlzoumltt) pontosabban 6 cm-1-ről 4 cm-1-re (47 aacutebra) [36] Viszont az Ω (confinement faktor) biztosan noumlvekszik a nyomaacutesnoumlvekedeacutessel mivel csoumlkken a hullaacutemhossz Baacuter az effektiacutev toumlreacutesmutatoacute nyomaacutesfuumlggveacutenye koumlnnyen kiszaacutemiacutethatoacute a kisugaacuterzott feacuteny spektrumaacuteboacutel (15) az Ω szaacutemiacutetaacutesa sokkal bonyolultabb eacutes pontos toumlreacutesmutatoacute-ismeretet igeacutenyel minden reacutetegben a nyomaacutes eacutes hullaacutemhossz fuumlggveacutenyeacuteben Maga a kvantumhataacutesfok nem mutatott eacuteszrevehető nyomaacutesfuumlggeacutest ami az L(I) dőleacutesi szoumlgeacuteből joacutel laacutethatoacute (31a aacutebra)


62

A kisugaacuterzott spektrum meacutereacutese gradiens lencse-zafiacuterablak feacutenykivezető

rendszerrel toumlrteacutent (24aacutebra) E rendszer alkalmazaacutesa azt eredmeacutenyezte hogy elsőkeacutent sikeruumllt kuumllső rezonaacutetor (diffrakcioacutes raacutecs) segiacutetseacutegeacutevel magas nyomaacutesnaacutel egy leacutezerstruktuacutera sugaacuterzaacutesaacutet hangolni [36] Az optikai elemek az ismert Littrow- rendszer ([32] 14 48 aacutebra) szerint voltak elhelyezve

Meacutereacuteseim kimutattaacutek [36] hogy magas nyomaacutes alkalmazaacutesaacutenaacutel is eacuterveacutenyesuumllnek azok az effektusok amelyek normaacutel nyomaacutesnaacutel joacutel ismertek a leacutezerfizikaacuteban

1) kuumllső rezonaacutetor segiacutetseacutegeacutevel lehetseacuteges a pozitiacutev optikai erősiacuteteacutesi

teacutenyező hataacuterain beluumll (47-49 aacutebra) vaacuteltoztatni a leacutezer kisugaacuterzott hullaacutemhosszaacutet

2) a leacutezersugaacuterzaacutes spektrumaacutenak minőseacutegi javulaacutesa figyelhető meg kuumllső rezonaacutetor hataacutesaacutera a sugaacuterzaacutes egymoacutedusuacute lesz (49-50 aacutebra)

3) kuumllső rezonaacutetor alkalmazaacutesa eseteacuten csoumlkken a kuumlszoumlbaacuteramszint (51aacutebra)

4) nő a moacutedus időbeli stabilitaacutesa

1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C

47 aacutebra Moacutedus optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező (modal gain) nyomaacutesfuumlggeacutese

GaInNAsGaAs leacutezerben (Hakki- Paoli- moacutedszer alapjaacuten szaacutemolva) [36]

48 aacutebra Magasnyomaacutesuacute-kamra (preacutessel egyuumltt) egyesiacutetve a Littrow rendszerrel (A-

magasnyomaacutesuacute preacutes B- magasnyomaacutesuacute kamra C- diffrakcioacutes raacutecs tuumlkoumlrrel egyesiacutetve) [36]


63

Kuumllső rezonaacutetort mint poacutetloacutelagos leacutezerdioacutedaacutet hangoloacute teacutenyezőt egyidejűleg

nyomaacutes eacutes hőmeacuterseacutekleti hangolaacutes alkalmazaacutesaacuteval előszoumlr mi valoacutesiacutetottunk meg ami uacutej taacutevlatokat nyit a feacutelvezető leacutezerdioacutedaacutek alkalmazhatoacutesaacutegaacuteban A 47-51 aacutebraacutekon bemutatott eredmeacutenyeket stabilizaacutelt hőmeacuterseacutekleti koumlruumllmeacutenyek koumlzoumltt kaptam (298 K) de a hőmeacuterseacuteklet-stabilizaacuteloacute rendszer szuumlkseacuteg eseteacuten megengedi a 100-300 K hőmeacuterseacutekleti tartomaacutenyban folytatni a leacutezerstruktuacutera tanulmaacutenyozaacutesaacutet

1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)

12 103 72 4 0kbaacuter

λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)

49 aacutebra GaInNAs leacutezer (LD5) spektruma kuumlloumlnboumlző nyomaacutesnaacutel a) kuumllső rezonaacutetor neacutelkuumll b) kuumllső rezonaacutetorral hangolt (kisugaacuterzott egymoacutedusuacute

spektrumcsoportok) [36]

1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)

Kuumllső rezonaacutetorral

λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305

Kuumllső rezonaacutetor neacutelkuumll

150 200 250 000

002

004

006

008

010

012 Kuumllső rezonaacutetor neacutelkuumll

Kuumllső rezonaacutetorral72kbar

12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)

50 aacutebra GaInNAs leacutezer sugaacuterzaacutesi spektruma (4 kbar nyomaacutesnaacutel) a) kuumllső rezonaacutetor neacutelkuumll b) kuumllső rezonaacutetorral

hangolt moacutedusok csoportja [36]

51 aacutebra GaInNAs leacutezer L-I fuumlggveacutenye kuumllső rezonaacutetor neacutelkuumll eacutes kuumllső rezonaacutetor

alkalmazaacutesaacuteval [36]


64

57 Magas nyomaacutessal hangolt GaSb- InGaAs- alapuacute leacutezerek alkalmazaacutesa

Az eddigiekben vizsgaacutelt GaSb alapuacute feacutelvezető leacutezerdioacutedaacutek lehetőseacuteget adtak egyes gaacutezok detektaacutelaacutesaacutera [75]

A probleacutema az hogy a gaacutezdetektaacutelaacutes az esetek toumlbbseacutegeacuteben csak egymoacutedusuacute leacutezerdioacuteda alkalmazaacutesaacuteval lehetseacuteges Tovaacutebbaacute egy adott hullaacutemhosszon sugaacuterzoacute dioacutedaacuteval toumlbbnyire csak egy anyag detektaacutelaacutesaacutera van lehetőseacuteg E probleacutemaacutet munkaacutem soraacuten sikeruumllt aacutethidalni hidrosztatikai nyomaacutessal hangolt toumlbbmoacutedusuacute 24 μm-en sugaacuterzoacute GaSb alapuacute leacutezer alkalmazaacutesaacuteval (LD6IT tiacutepusuacute struktuacutera) Egy ilyen leacutezerdioacuteda magasnyomaacutesuacute hangolaacutesaacuteval (a Montpellieri Egyetem CEM-2 laboratoriumaacuteban az aacuteltalam oumlsszeszerelt berendezeacutesen) megvaloacutesiacutetottam keacutet gaacutez (metaacuten eacutes ammoacutenium) eacuterzeacutekeleacuteseacutet

A metaacutenra (CH4) 232 μm-es ammoacuteniumra (NH3) pedig a 2 μm-es hullaacutemhossztartomaacutenyban jellemző jelentősebb elnyeleacutes Ezeacutert mind a keacutet esetben szuumlkseacuteg volt hidrosztatikai nyomaacutesra mivel csak a hőmeacuterseacuteklet vaacuteltoztataacutesaacuteval a 24 μm-en sugaacuterzoacute leacutezerdioacutedaacutet neheacutez aacutethangolni 232 μm-re eacutes lehetetlen 20 μm-re (32b aacutebra) A meacutereacutesi elrendezeacutes igen egyszerű eacutes klasszikusnak nevezhető (52 aacutebra)

A vizsgaacutelt gaacutez elnyeleacuteseacutet spektromeacuteterrel meacutertem A meacutereacutes a koumlvetkező leacutepeacutesekből aacutellt

1) hidrosztatikai nyomaacutessal a GaSb alapuacute leacutezerdioacutedaacutet aacutethangoltam a kiacutevaacutent hullaacutemhossztartomaacutenyba

2) meacutertem a nyomaacutessal hangolt leacutezer kisugaacuterzott spektrumaacutet gaacutez neacutelkuumll (53 aacutebra)

Magasnyomaacutesuacute preacutes

Magasnyomaacutesuacute kamra

fotodetektor

lencse

Vizsgaacutelt gaacutez

Optikai szaacutel

diffrakcioacutes raacutecs d =1300mm

Tuumlkoumlr F =50cm

52 aacutebra Gaacutez detektaacutelaacutesa nyomaacutessal hangolhatoacute toumlbbmoacutedusuacute GaSb leacutezer eacutes

diffrakcioacutes spektromeacuteter segiacutetseacutegeacutevel


65

3) ezutaacuten megmeacutertem a vizsgaacutelt gaacutez transzmisszioacutes spektrumaacutet (53 aacutebra)

4) a keacutet jel egymaacuteshoz viszonyiacutetaacutesa adta a transzmisszioacutet (relatiacutev egyseacutegben) melyet oumlsszehasonliacutetottam a HITRAN [82] adatbaacutezissal (54 aacutebra)

Mint laacutethatjuk a meacutert eacutes a HITRAN aacuteltal publikaacutelt transzmisszioacute mind a NH3 mind a CH4 eseteacuteben egybeesik

Megaacutellapiacutethatoacute hogy a hidrosztatikai nyomaacutessal hangolt GaSb leacutezerdioacutedaacutek gyakorlatban is alkalmazhatoacutek mivel mind a leacutezer sugaacuterzaacutesa (teljesitmeacuteny 10 mW) mind pedig a nyomaacutes eacuterteacuteke a magasnyomaacutesuacute kamraacuteban huzamosabb ideig stabilan tarthatoacute volt (55 aacutebra)

A leacutezerdioacutedaacutek nyomaacutesdetektorkeacutent (magasnyomaacutesuacute manomeacuteterkeacutent) valoacute alkalmazaacutesa egy tovaacutebbi lehetseacuteges alkalmazaacutes amelyet munkaacutem soraacuten (a Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS laboratoriumaacuteban) sikeruumllt kivitelezni A dioacutedaacutek e lehetseacuteges alkalmazaacutesaacutet előszoumlr a 980 nm-en sugaacuterzoacute 50 mW-os InGaAs alapuacute Roithner (Ausztria) ceacuteg aacuteltal gyaacutertott leacutezerdioacuteda segiacutetseacutegeacutevel valoacutesiacutetottam meg (a leacutezerdioacuteda fő parameacuteterei a 30 aacutebraacuten laacutethatoacutek)

2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullaacutemhossz (μm)

transzmisszioacute gaacutez neacutelkuumll transzmisszioacute metaacutenon aacutet

199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60

transszmisszioacute NH3

I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)


transszmisszioacute gaacutez neacutelkuumll

53 aacutebra Spektromeacuteterrel meacutert eacutes magasnyomaacutessal hangolt GaSb leacutezerdioacuteda (24 μm-es)

sugaacuterzaacutesaacutenak transzmisszioacuteja a) metaacutenon (CH4) b) ammoacuteniaacuten (NH3)


66

Az ilyen tiacutepusuacute feacutelvezető leacutezerdioacuteda szinte toumlkeacuteletesen megfelel egy ilyen ceacuteluacute alkalmazaacutesnak

bull alacsony a kuumlszoumlbaacuteram-szintje (Ith=13 mA P=0 kbar T=300 K) nincs szuumlkseacuteg jelentős hőelvonaacutesra vagyis alig befolyaacutesolja a meacutert objektum

hőmeacuterseacutekleti parameacutetereit

bull a kuumlszoumlbaacuteram alig vaacuteltozik a nyomaacutessal (30aacutebra)

bull viszonylag magas (400 K) hőmeacuterseacutekletneacutel is meacuteg elfogadhatoacute szinten van a kuumlszoumlbaacuteram (Ithlt50 mA)

2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10

transmisszioacute metaacutengazon aacutet HITRAN meacutert

trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200

1 I=195mA P=8kbar Transzmisszioacute NH3

meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN

54 aacutebra A meacutereacutesek alapjaacuten kapott transzmisszioacutes teacutenyező (rele) oumlsszehasonliacutetaacutesa a HITRAN (elmeacuteleti szaacutemiacutetaacutesok) adataival a) metaacuten b) ammoacutenia eseteacuten

1

4

5

73

2

6

56 aacutebra Leacutezerdioacuteda mint magasnyomaacutesuacute manomeacuteter1) vizsgaacutelt leacutezerdioacuteda 2)

manomeacuteter leacutezercsip 3) hűtőtoumlnk (reacutez) 4) feacutenyszaacutel 5) huzal 6) hőt elvonoacute alap (reacutez)

7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400

I= 400 mAP= 12 kbaacuter

inte

nzitaacute

s (r

ele

)

hullaacutemhossz(μm)

maacutejus 7 maacutejus 12 maacutejus 19

55 aacutebra A GaSb leacutezerspektrumaacutenak időbeli stabilitaacutesa hidrosztatikai nyomaacutes

alatt


67

bull csak egy poacutetloacutelagos aacuteramvezető-huzalra van szuumlkseacuteg nem uacutegy mint a neacutegykontaktusos manomeacuteter eseteacuten

bull ahhoz hogy a leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesaacutet regisztraacutelni tudja a spektromeacuteter elegendő hogy a manomeacuteterkeacutent felhasznaacutelt leacutezer bent legyen a magasnyomaacutesuacute kamraacuteban (termeacuteszetesen ha a sugaacuterzaacutes feacutenyszaacutelon vagy a zafiacuterablakon aacutet ki tud jutni a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel)

bull sokkal egyszerűbb a hasznaacutelata a koraacuteban emliacutetett InSb manoacutemeacuteterneacutel amelynek meacuteterei (ltlt2 mm) a szereleacutest nagyon bonyoliacutetjaacutek eacutes nem utolsoacute sorban sokkal olcsoacutebb mint peacuteldaacuteul egy InSb manomeacuteter

bull haacutetraacutenykeacutent emliacutetendő hogy szuumlkseacuteg van spektromeacuteterre vagy maacutes hullaacutemhosszmeacuterő műszerre

Nagyon joacutel sikeruumllt alkalmazni a vizsgaacutelt nyomaacutesdetektort peacuteldaacuteul a GaN

eacutes AlGaAs alapuacute leacutezerdioacutedaacutek hullaacutemhossz-nyomaacutesfuumlggeacuteseacutenek tanulmaacutenyozaacutesa soraacuten ami jelentősen megkoumlnnyiacutetette eacutes leegyszerűsiacutetette a nyomaacutes meacutereacuteseacutet is A meacutereacutes pontossaacutega ~02 kbar volt ami sok esetben (toumlbb kbar nyomaacutesnaacutel) joacutenak mondhatoacute Tudomaacutesom szerint a leacutezerdioacutedaacutek ilyen ceacuteluacute alkalmazaacutesa eddig ismeretlen volt iacutegy munkaacutemnak ezen reacutesze mindenkeacuteppen uacutej műszaki megoldaacutesnak szaacutemiacutet

Oumlsszegezve a fentieket azt lehet mondani hogy a magas nyomaacutes nemcsak

kuumlloumln a leacutezerstruktuacuteraacutek tanulmaacutenyozaacutesaacutera hasznaacutelhatoacute hanem egy komplex berendezeacutes formaacutejaacuteban eleacuteg szeacuteles koumlrben alkalmazhatoacute a fizika eacutes technika maacutes teruumlletein is

Oumlsszefoglalaacutes 68

VI Oumlsszefoglalaacutes

bull Kifejlesztettem egy eredeti nagy hataacutesfokuacute optikai eacutes elektromos meacutereacutesekre egyaraacutent alkalmas szaacuteloptikaacutet tartalmazoacute rendszert valamint reacuteszt vettem a zafiacuterablak eacutes gradiens lencse alkalmazaacutesaacuteval műkoumldő feacutenykivezető-rendszer tovaacutebbfejleszteacuteseacuteben melyek segiacutetseacutegeacutevel sikeruumllt meghataacuteroznunk egy sor kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr feacutelvezető leacutezer parameacutetereacutenek nyomaacutesfuumlggeacuteseacutet kisugaacuterzott hullaacutemhossz stimulaacutelt emisszioacute teljesiacutetmeacuteny-aacuteram eacutes aacuteram-feszuumlltseacuteg fuumlggveacuteny kuumlszoumlbaacuteram Egyes (peacuteldaacuteul InGaNGaN- 415-420 nm InGaAsSbAlGaAsSb- 2300-2500 nm tartomaacutenyban sugaacuterzoacute struktuacuteraacutek) leacutezerdioacutedaacutek eseteacuteben az ilyen meacutereacutesek teljesen uacutejszerűek maacutes meacutert struktuacuteraacutek eseteacuteben pedig leacutenyegesen kiegeacutesziacutetik a koraacutebbi meacutereacuteseket

Kuumlloumln ki kell emelni hogy a felhasznaacutelt meacutereacutesi rendszerek megengedteacutek

a leacutezerek magas nyomaacutes (0-22 kbar) alatti tanulmaacutenyozaacutesaacutet szeacuteles hőmeacuterseacutekleti tartomaacutenyban (100-350 K) mikoumlzben sikeruumllt a leacutezerdioacuteda sugaacuterzaacutesaacutenak 50-75 kivezetni a magasnyomaacutesuacute kamraacuteboacutel ami uacutettoumlrő munkaacutenak szaacutemiacutet a fizika e gyakorlati tereacuten

bull Megaacutellapiacutetottuk az alapkutataacutesban eacutes a gyakorlatban hasznaacutelt AIIIBV alapuacute

feacutelvezető kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek jellemző tiacutepusainak (InGaNGaN InGaPAlGaInP AlGaAsAlGaAs InGaASGaAs InGaAsPInP GaInNAsGaAs InGaAsSbAlGaAsSb) nyomaacutessal valoacute hangolhatoacutesaacutegi teacutenyezőjeacutet (d(hν)dp) 0-22 kbaacuter nyomaacutestartomaacutenyban InGaNGaN (34-36 meVkbar) InGaPAlGaInP (71-81 meVkbar) AlGaAsAlGaAs (91-98 meVkbar) InGaAsGaAs (105 meVkbar) InGaAsPInP (8-835 meVkbar) GaInNAsGaAs (835 meVkbar) InGaAsSbAlGaAsSb (114 meVkbar)

bull Magasnyomaacutesuacute meacutereacutesek alapjaacuten leacutezerdioacutedaacutekban sikeruumllt megaacutellapiacutetanunk

olyan kaacuteros jelenseacutegek jellemzőit mint a toumllteacuteshordozoacutek kiaacuteramlaacutesa az aktiacutev reacutetegből az Auger nem sugaacuterzaacutesos rekombinaacutecioacute eacutes a belső elektromos teacuter jelenleacuteteacutet

A kuumlszoumlbaacuteram p-T diagrammjainak tanulmaacutenyozaacutesa az aacuteltalunk kifejlesztett modellezeacutes alkalmazaacutesaacuteval keacutet InGaPAlGaInP alapuacute (λ=660 eacutes 690 nm) eacutes egy AlGaAsAlGaAs alapuacute (λ=780 nm) struktuacuteraacutenaacutel kimutatta a sodroacutedaacutesos tiacutepusuacute kiaacuteramlaacutes dominaacutelaacutesaacutet valamint lehetőseacuteget nyitott a leacutezerstruktuacutera energiasaacutevja egy fontos parameacutetereacutenek a meghataacuterozaacutesaacutera kiszaacutemiacutetottam az energiagaacutetat az aktiacutev reacuteteg vezeteacutesi saacutev Γ- minimuma eacutes a


fedőreacuteteg X- minimuma koumlzoumltt amely InGaPAlGaInP struktuacutera (660 nm) eseteacuteben - 215 meV valamint kiszaacutemiacutetottuk ezt az energiagaacutetat az InGaPAlGaInP struktuacutera (λ=690 nm) eseteacuten - 282 meV eacutes az AlGaAsAlGaAs struktuacutera (λ=780 nm) eseteacuten - 300 meV

Az aacuteram-feszuumlltseacuteg fuumlggeacutes tanulmaacutenyozaacutesa soraacuten megaacutellapiacutetottuk hogy

az AlGaAsAlGaAs struktuacuteraacutejuacute 785 nm-en vilaacutegiacutetoacute Sanyo gyaacutertmaacutenyuacute leacutezerekneacutel e fuumlggeacutes magas nyomaacutes alatt anomaacutelis ami eddig ismeretlen volt Modellszaacutemolaacutesaink bizonyiacutetjaacutek hogy ez az elektronok aktiacutev reacutetegből valoacute kiaacuteramlaacutesaacuteval eacutes ez aacuteltal a kvantumgoumldroumlt koumlruumllvevő reacutetegek ellenaacutellaacutes-vaacuteltozaacutesaacuteval magyaraacutezhatoacute

In035Ga065As011Sb089Al025Ga075As002Sb098 (λ=2400 nm) struktuacuteraacutejuacute leacutezer eseteacuten meacutereacuteseim kimutattaacutek hogy nagy valoacutesziacutenűseacuteggel 8 kbaacuter alatt a CHCC tiacutepusuacute Auger-effektus dominaacutel ugyanakkor 8 kbar felett jelentősebb a CHSH tiacutepusuacute Auger-rekombinaacutecioacute Ilyen tiacutepusuacute Auger- effektusok jelenleacuteteacutet taacutemasztjaacutek alaacute az In035Ga065As015Sb085Al025Ga075As002Sb098 (λ=2500nm) eacutes az In037Ga063As012Sb088Al025Ga075As002Sb098 (λ=2300 nm) struktuacuteraacutejuacute leacutezerdioacutedaacutekon veacutegzett kiacuteseacuterleteink is

Keacutet intrinsic illetve adaleacutekolt gaacutetakkal rendelkező In009Ga091NIn002Ga098N (λ=416 eacutes 421 nm) leacutezerek peacuteldaacutejaacuten az elektrolumineszcencia spektrumcsuacutecsaacutenak nyomaacutesteacutenyező aacuteram fuumlggeacuteseacuteből bebizonyiacutetottuk a polarizaacutecioacutes elektromos teacuter leacutetezeacuteseacutet ilyen struktuacuteraacutekban eacutes megaacutellapiacutetottuk hogy az In002Ga098N gaacutetak Si adaleacutekolaacutesa (1019cm-3) vagy az injektaacutelt aacuteramsűrűseacuteg 150 Acm2 szintje szuumlkseacuteges ahhoz hogy nagymeacuterteacutekben aacuternyeacutekolja a belső elektromos teret (a beeacutepiacutetet elektromos terek teljes aacuternyeacutekolaacutesa 12 kAcm2 kuumlszoumlbaacuteramsűrűseacuteg koumlzeleacuteben megy veacutegbe) De mivel a kuumlszoumlbaacuteram mind a keacutet leacutezerstruktuacutera eseteacuteben 1A koumlruumlli eacutes nyomaacutesfuumlggetlen ez bizonyiacutetja hogy a belső elektromos teacuter e struktuacuteraacutekban nem jaacutetszik olyan jelentős szerepet a kaacuteros minőseacutegcsoumlkkeneacutesben mint ahogyan az aacuteltalaacutenosan elfogadott

bull Kiacuteseacuterleti-fejleszteacutesi munkaacutenk gyakorlati eredmeacutenyekeacutent a Ga067In033N002As098GaAs tiacutepusuacute (λ=1340 nm) leacutezer peacuteldaacutejaacuten előszoumlr sikeruumllt megvaloacutesiacutetani a leacutezerdioacuteda keacutet jelentős hangolaacutesi teacutenyezőjeacutenek a hidrosztatikai nyomaacutes eacutes kuumllső rezonaacutetor (szuumlkseacuteg eseteacuten a kifejlesztett


berendezeacutes megengedte egyben a hőmeacuterseacutekleti hangolaacutes alkalmazaacutesaacutet is) egyesiacuteteacuteseacutet

Ennek alapjaacuten bebizonyiacutetottam hogy magasnyomaacutes alatt kuumllső rezonaacutetor segiacutetseacutegeacutevel a pozitiacutev optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező saacutevjaacutenak szeacuteles tartomaacutenyaacuteban lehetseacuteges leacutezerdioacutedaacutet hangolni eacutes e rezonaacutetor segiacutetseacutegeacutevel magas nyomaacutes alatt is lehet jelentősen javiacutetani a leacutezerek sugaacuterzaacutesi moacutedusstruktuacuteraacutejaacuten (toumlbbmoacutedusuacute dioacuteda eseteacuteben egymoacutedusuacute sugaacuterzaacutest nyerni)

A Ga067In033N002As098GaAs alapuacute struktuacuteraacutenaacutel a moacutedus optikai erősiacuteteacutesi teacutenyező nyomaacutestoacutel valoacute fuumlggeacuteseacutenek tanulmaacutenyozaacutesa folytaacuten kimutattam e teacutenyező jelentős (33) csoumlkkeneacuteseacutet a nyomaacutes noumlvekedeacuteseacutevel (21 kbar-ig)

bull Kiacuteseacuterleti berendezeacutesuumlnkkel magas hidrosztatikai nyomaacutes- eacutes

hőmeacuterseacuteklet- vaacuteltoztataacutessal az AIIIBV feacutelvezető leacutezerdioacutedaacutek alkalmazaacutesaacuteval megvaloacutesiacutetottuk a szeacuteles hullaacutemsaacutevban hangolhatoacute koherens feacutenyforraacutesokat (10-700nm leacutezerstruktuacuteraacutetoacutel fuumlggően) Ily moacutedon toumlbbnyire kitoumllthetők azok a reacutesek (a 400-2500 nm hullaacutemhossztartomaacutenyban) amelyek a ma gyaacutertott feacutelvezető leacutezerek sugaacuterzaacutesi spektrumaiban eacuteszlelhetők

Az In035Ga065As011Sb089Al025Ga075As002Sb098 (λ=2400 nm) struktuacuteraacutejuacute leacutezerdioacuteda peacuteldaacutejaacuten megmutattuk hogy az ilyen feacutenyforraacutes toumlbb szaacutez oacuteraacuten keresztuumll stabilnak bizonyult mind az intenzitaacutes (10mW) mind pedig a kisugaacuterzott feacuteny moacutedusstruktuacuteraacuteja tekinteteacuteben

Vizsgaacutelataim gyakorlati eredmeacutenyekeacutent megvaloacutesiacutetottam keacutet nyomaacutessal hangolt feacutelvezető leacutezer aacuteltal kisugaacuterzott feacuteny hullaacutemhossz-vaacuteltozaacutesaacutenak alkalmazaacutesaacutet fizikai meacutereacutesekneacutel Az InGaAsGaAs alapuacute (λ=980 nm) leacutezer joacutel bevaacutelt mint manomeacuteter a magasnyomaacutes meacutereacutesek soraacuten maacutes leacutezerek vizsgaacutelataacutenaacutel (nyomaacutes tartomaacuteny 0-22 kbar) A nyomaacutesmeacutereacutesi pontossaacuteg - 02 kbar Magas nyomaacutessal hangolt toumlbbmoacutedusuacute In035Ga065As011Sb089-Al025Ga075As002Sb098 struktuacuteraacutejuacute leacutezerdioacuteda (λ=2400 nm) segiacutetseacutegeacutevel sikeruumllt keacutet gaacutez (NH3 CH4) abszorpcioacutes detektaacutelaacutesa a spektrum keacutet eleacuteggeacute taacutevoli tartomaacutenyaacuteban (199-202 μm eacutes 231-232 μm koumlzoumltt) ami maacutes hangolaacutesi moacutedszerrel (hőmeacuterseacuteklettel aacuteramszint- vaacuteltozaacutessal kuumllső rezonaacutetor alkalmazaacutesaacuteval) nehezen lett volna kivitelezhető

Summary 71

VII Summary

Introduction It is well known that electric and magnetic fields pressure and temperature influence electric and optical properties of semiconductors This influence is especially strong in the case of low-dimensional structures The investigation of such small structures becomes possible in larger bulk structures or devices such as for example semiconductor laser diodes devices In this case there appears the possibility of investigating the properties of (i) the whole structure of particular semiconductor lasers and (ii) nanosize structures made of the semiconductor materials of which the lasers are composed

Such investigations have a direct applicability due to the unique properties

of semiconductor lasers (a high efficiency small overall dimensions-compactness) Semiconductor lasers take the first place among coherent light sources Semiconductor laser diodes based on two-dimensional (2D) structures with quantum wells (QW) are most widely used in modern laser engineering It should be mentioned that despite a rather wide spectrum of semiconductor materials (these are mainly group III-V materials) used for designing semiconductor laser diodes one cannot completely cover the full spectral range from ultraviolet via visible to near-infrared light

The application of high hydrostatic pressure can appreciably help in designing tunable monochromatic light sources based on semiconductor laser diodes This is connected with the fact that hydrostatic pressure exerts a considerable influence on the bandgap of semiconductors and consequently the energy of photons emitted by semiconductor lasers It is also known that besides the influence on the mentioned parameters pressure exerts influence on other characteristics of semiconductors and devices the energy band structure optical gain and grating constant Furthermore pressure causes internal strain When the semiconductor under study is part of the laser diode the hydrostatic pressure exerts influence on other characteristics of the laser diode itself (such as threshold current and I-V characteristics) The analysis of these characteristics can be used to study different phenomena (often having negative influence on device parameters) occuring in semiconductor lasers Such phenomena are the charge carrier leakage (fig 7a) from the active region (in GaInPAlGaInP AlGaAsAlGaAs structures) Auger effect (fig8) (in GaSb structures) existence of built-in electric fields (in InGaNGaN structures) It should be noted that to study the properties of semiconductor laser structures it is necessary to conduct pressure investigations in a wide temperature range

Summary 72

In connection with the above-mentioned the aim of this work was to design a highly effective device for extracting the light emission of the laser diode from a high-pressure cell to measure with the help of this device electric and optical characteristics of semiconductor lasers within wide pressure and temperature ranges in order to study internal parameters of semiconductors and different physical phenomena occurring in semiconductor lasers to design a pressure temperature tunable and external-cavity tunable semiconductor laser Experimental details and experimental techniques

To perform the investigation of semiconductor lasers under high pressure

a conventional compact liquid-filled high-pressure cell was used (fig18) For a highly-effective extraction of the laser diode emission from a high-

pressure cell a laser diode - optical fiber system (fig 2526) [43] and a laser diode - graded-index microlenses- sapphire window system (fig24) were developed [36] For the first time the developed complex and methods of investigation made it possibile to perform measurements simultaneously within wide pressure (0-22 kbar) and temperature (100-300K) ranges The system laser diode ndash optical fiber is characterized by reliability and simplicity in work The system laser diode - graded-index micro lenses- sapphire window allows one to maintain coherence of the laser emission and for the first time with its help we have succeeded in designing a semiconductor laser which is simultaneously tuned by high pressure temperature and external cavity

The applied mounting of laser chips provides a good thermal contact (fig 2426) which allows one to use high-power laser diodes (05-2 W) Both realized optical systems in such configuration were used for the first time The measurements included the study of the following electric and optical characteristics of quantum well laser diodes the p-T (pressure ndash temperature) dependence of threshold current the p-T dependence of I-V characteristics the p-T emission spectrum

Based on these measurements quantitative and qualitative analyses of processes in semiconductor laser structures were conducted The investigation of lasers based on different systems of semiconductors provided a possibility to systematize the data obtained and generalize the results Results and conclusions Our optical systems of extracting the laser diode emission from a high-pressure cell allowed to extract 50-75 of radiation power and they were used for the first time in such configuration [36 43]

With the help of the designed measuring system we have managed to tune semiconductor emission sources within a wide range of wavelengths By this

Summary 73 Considerably more semiconductor laser emission wavelengths have become available by this (Table 2) Tuning the emission of a In035Ga065As011Sb089 Al025Ga075As002Sb098 (λ=2400 nm) laser diode we have managed to achieve a record tuning range of Δλ equal to 700 nm [27] Also we obtained the emission of a laser diode with a wavelength of 590 nm (in a InGaPAlGaInP structure λ=640 nm)- fig29 [4546]

Our investigations of semiconductor laser emission spectra at different pressures and temperatures have allowed us to calculate the pressure (d(hν)dp) and temperature coefficients (d(hν)dT) of tunability of laser diodes designed on different semiconductors We studied some laser structures under pressure for the first time The investigations have shown a small pressure tunability of InGaNGaN (λ=415-421 nm) laser diodes (34-26 meVkbar fig28 41c) [333444] and a large tunability of InGaAsSbAlGaAsSb (λ=2300-2500 nm) lasers (114 meVkbar)- [27]

Threshold current in semiconductor laser diodes is an important parameter which characterizes negative effects on device performance related to the loss of carriers and therefore this parameter should also be investigated during pressure studies The threshold current is given by (Eq16) where nth is the carrier concentration at the threshold A is the nonradiative ShockleyndashHallndashRead (SHR) coefficient B is the spontaneous emission coefficient C is the nonradiative Auger coefficient and IL is the leakage current [23] We have assumed that nonradiative SHR contribution does not changes with pressure [42] The radiative recombination current increases with pressure due to the increase of the band gap and the increasing effective mass of electrons [19] This effect may be compensated by the optical confinement factor Γ which is increasing with pressure because of the substantial decrease in the emission wavelength The third term in Eq(13) is related to the non-radiative Auger current [23] Naturally in different structures different effects dominate

In case of AlGaInP and AlGaAs laser diodes the leakage of electrons into

the p-cladding which can be of diffusion and drift character [13-16] most probably dominates The leakage is quantitatively determined by 1) the energy barrier ΔЕ between Γ conduction band minimum in the quantum well and X conduction band minimum in the surrounding p-cladding 2) temperature (in accordance with Fermi statistics) The energy barrier ΔЕ is an important parameter of the energy alignment of neighbouring layers Its value is in general not known and obtaining this value is an important task of laser diodes physics our studies contributed to it to some extent

It is known that the energy barrier decreases with increasing pressure [4546] and this results in the increase of the leakage current and consequently in the increase of the threshold current The decrease in temperature in its turn

Summary 74 decreases the leakage (which decreases the threshold current) The methods of analysis of the p-T dependence (fig 33-35) of threshold current proposed by us allows one to define the value of the energy barrier which electrons overcome [4546] For this it is necessary to separately consider two components of leakage diffusion (Eq34) and drift (Eq35) Each of these models gives its expression (Eq3940) of the threshold current as a function of pressure and temperature Our fitting of experimental curves for the threshold current with theoretical curves has shown that in AlGaInP and AlGaAs lasers a drift component of leakage dominates The value of ΔЕ in a 660 nm AlGaInP laser was 215 meV (calculated by me) in a 690 nm AlGaInP laser ndash 282 meV (calculated by us) and in a 780 nm AlGaAs laser ndash 300 meV (calculated by us) The information on the barrier for leakage may be used for optimizing the structures of semiconductor lasers

The carrier leakage is reponsible not only for the change in the threshold current but also for the anomalous I-V characteristics at the threshold in QW laser diodes In case of normal I-V characteristics of a laser diode at the threshold the IdVdI suffers a kink-like decrease (fig 5) which is conditioned by the decrease of the differential series resistance of the p-n junction at the threshold [4] In case of anomalous I-V characteristics the differential resistance at the threshold increases Earlier such an effect was observed in lasers by changing the temperature [6567]

The similar behaviour of I-V characteristics was observed by us both under the influence of low temperature (fig36) and under the influence of high pressure (fig37) in AlGaAs semiconductor structures (LD3 LD4- fig16) [35]

Temperature and hydrostatic pressure effects were investigated in AlGaAs laser diodes operating in wavelength ranges between 780 and 850 nm The spectral tuning and change of threshold current were measured The electrical characterization by differential I-V curves shows that there are cases of anomalous behaviour that is a positive step of the differential resistance at the threshold instead of a regular negative step These anomalous kinks of differential I-V curves are identified in two typical cases in some laser diodes the regular behaviour under normal circumstances converts into an anomalous one under high hydrostatic pressure or under lowered temperature We suggest that the voltage drop on the sensitive layer in the laser heterostructure produces a small correction to the diode I-V curve so the latter includes an additional nonlinear electrical component besides the p-n junction [35] The differential resistance of the sensitive layer contributes to the threshold-related kink with a sign opposite to the regular effect Therefore the algebraic summation provides sometimes a regular (negative) cumulative result but sometimes this summation gives an anomalous (positive) result Occasional variations of parameters of the sensitive layers in diodes fabricated by different producers give rise to the observation of anomaly in some samples High pressure and low temperature are the factors favourable for anomaly

Summary 75 as they increase the initial resistance of the sensitive layer (and the threshold currents in case of pressure) The sensitive layers are most probably the undoped optical-confinement (waveguide) layers of the separate-confinement heterostructure The conductivity of this sensitive layer is modified by the injected carriers (effect of the injection-induced conductivity) The similar effect can be expected from the photoconductivity effect in other sensitive layers But in well-designed laser diodes there are no candidates for photo-sensitive layers as other components of the heterostructure are either transparent to the emission of the active region or low-resistance ones to give no rise of competitive voltage contribution [35] The voltage correction caused by injection induced conductivity (Eq42) produces variations of measured differential resistance step associated with the details of the laser structure (thickness of sensitive layer composition and doping level carrier depletion etc) We have demonstrated here that low temperature and high pressure are both favourable for an anomalous behaviour These two factors temperature and pressure produce opposite effects on the threshold current in AlGaAs (LD3 LD4) lasers lowering temperature gives a lower threshold but the higher pressure produces a higher threshold But in both cases we have noticed the appearance of an electrical anomaly which we associate with the injection-induced conductivity [35]

My measurements of electroluminescence spectra and threshold currents of InGaNGaN semiconductor lasers under different pressures in combination with interpretation and modeling performed by us demonstrated that in the given structures a built-in electric field can exist which should exert a negative influence upon characteristics of (Al Ga In)N laser diodes [3334447374] The existence of the built-in electric field (i e polarization induced electric field) is confirmed by a different rate of the electroluminescence peaks shift (dEEdP at different injection currents) to a blue region of the spectrum under the influence of hydrostatic pressure of two laser diodes LD1 (quantum barriers (QB) without doping fig15a) and LD2 (QB with Si doping ndash1019 cm-3 fig15b) Differences are observed at small currents (lower value of dEEdP in LD1 at currents below ~10 mA - current density below ~150 Acm2) and vanish at higher injection levels [333444]

According to us this demonstrates that in LD1 structure there exists a

built-in electric field which is screened by a injection of charge carriers into the quantum well (fig 41c) It should be underlined that full screening of polarization induced electric fields in nitride laser diodes can be accomplished to lasing threshold (1 A threshold current density ndash 12 kAcm2) [34] In case of LD2 the dEEdP is identical in the whole range of currents (fig 41c) which shows full screening of the built-in field by Si doping concentration in the QBs

Summary 76

The results are also confirmed by our modeling of the shift rate of dEEdP as a function of doping concentration (fig 41b) by measurements of the photoinduced current in GaN LED D1 D2 (D1- quantum barriers (QB) without doping D2- QB with Si doping ndash1019 cm-3) (fig41d) [34]

An important conclusion follows from this the built-in electric field in

InGaNGaN lasers is easily screened both by an injection of carriers and doping of QBs But as the thresholds of both laser diodes are close to each other and pressure independent we can conclude that internal electric fields in such structures do not have such a large influence on lasing properties as it was generally considered

In case of investigated long-wavelength GaSb semiconductor lasers (for

example LD6IT-24 μm ndash fig17b) we deal with the dominating influence of Auger recombination which directly follows from the analysis of threshold current as a function of pressure [27] With increasing the pressure to 8 kbar the threshold current decreases (fig 42) which is caused by the domination of direct Auger recombination of CHCC type (Fig8) and connected with the increase in the activation energy of this process (Equations 16 and 17) Above 8 kbar we observed an increase of the threshold current which we interpret to be related to Auger recombination of CHSH type (Fig8) CHSH recombination is related to resonances between energy transitions of conduction band ndash valence band (the energy of emitted photons) and the transitions of valence band ndash spin-orbital splitting band

An additional mechanism leading to an increased threshold can be related to the last term in Eq (16) namely the leakage current IL There are two regions that contribute to the electron leakage the Al025Ga075As002Sb098 waveguide and the Al09Ga01As008Sb092 cladding The lowest conduction-band minimum in the waveguide occurs at the L point of the Brillouin zone while in the cladding it occurs at the X point The ΓndashL and Γ ndashX energy separations decrease with pressure at the rate of about 6 meV kbar and 12 meV kbar respectively This means that the QW becomes effectively shallower under pressure and that the distance from the Fermi level to L and X minima becomes substantially reduced at high pressure (fig 45) [27]

Te results of our analyses of threshold current behaviour for the multimode laser structures emitting at wavelengths of 23 μm (LD6III) and 25 μm (LD6II) (fig43) and a one-mode laser at 24 μm (composition similar to LD6IT) are confirmed by a detailed p-T dependence of threshold current of laser LD6IT (fig44)

Summary 77

In case of Ga067In033N002As098GaAs long-wave semiconductor lasers (LD5-134 μm ndash fig 17a) we are dealing with Auger recombination which causes a sharp increase in the threshold current with increasing pressure (fig31) [36] My calculations of the modal net gain (by Hakki-Paoli method) of a one-mode laser have shown that the gain decreases with increasing the pressure from 0 to 21 kbar by 15 times (fig51) [36]

The established effects of the influence of different factors on the emission efficiency of the studied typical laser structures are applicable for the development of specific systems In particular by using the optical system the laser diode - graded-index microlenses- sapphire window for extracting the laser emission from the high-pressure cell into the diffraction grating in the Littrow configuration for the first time we managed to obtain Ga067In033N002As098GaAs semiconductor laser diode simultaneously tunable by hydrostatic pressure temperature and by an external cavity We showed that an external cavity allows one to tune the laser emission in such a system almost within the whole positive optical gain range (fig47) [36] With this external cavity the modal structure of the emission spectrum and modal stability improve and the threshold current decreases (fig51)

Using a In035Ga065As011Sb089Al025Ga075As002Sb098 pressure-tunable multi-mode semiconductor laser (LD6IT ndash λ=24 μm) the absorption analysis of two gases (NH3 CH4 ndash fig 5354) the absorption wavelength lines of which differ much (199-202 μm and 231-232 μm respectively) was realized for the first time in this work

Taking an InGaAs laser (λ=980 nm) as an example the use of a laser diode

as a high-pressure manometer was realized for the first time (using the wavelength of laser emission as a measure of pressure ndashfig 56) The mentioned laser was selected because of a low value of threshold current good stability and considerable pressure tunability of the laser emission wavelength (fig 30) With the help of such a manometer the investigations of InGaNGaN lasers were conducted The measurement error did not exceed 02 kbar

Summarizing the above it should be emphasized that the results of

measurements were obtained due to a high efficiency reliability and stability of the developed optical systems extracting the light emission from the high-pressure cell These systems allowed us to study the properties of quantum-well semiconductor lasers and different phenomena occuring in them

This undoubtedly demonstrates that the experimental methods based on the

use of hydrostatic pressure and completed with temperature change used for the

Summary 78 first time to analyse semiconductor laser quantum structures and tuning of corresponding laser emission are extremely promising for fundamental and applied studies of radiative semiconductor quantum structures and can be used for the design of semiconductor devices

Koumlszoumlnetnyiacutelvaacuteniacutetaacutes

79

VIII Koumlszoumlnetnyilvaacuteniacutetaacutes

Koumlszoumlnettel tartozom teacutemavezetőmnek Dr Koumlkeacutenyesi Saacutendornak aki segiacutetette a doktori munkaacutem elkeacutesziacuteteacuteseacutet valamint az eredmeacutenyek kieacuterteacutekeleacuteseacutet eacutes eacutertelmezeacuteseacutet

Koumlszoumlnettel tartozom Dr Bercha Artemnek (Varsoacutei IHPP PAS

UNIPRESS) aki jelentősen hozzaacutejaacuterult ahhoz hogy az adott eacuterdekes eacutes aktuaacutelis teacutemaacuteval kezdtem foglalkozni tanaacutecsaival segiacutetett a meacutereacutesekben eacutes segiacutetett az eredmeacutenyek eacutertelmezeacuteseacuteben Dr Witold Trzeciakowskinak (Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS) hogy lehetőseacuteget biztosiacutetott a leacutezerstruktuacuteraacutek magas nyomaacutes alatti tanulmaacutenyozaacutesaacutera

Koumlszoumlnet illeti Dr Tadeusz Suskit (Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS) aki

szorgalmazta a GaN alapuacute leacutezerek magasnyomaacutesuacute tanulmaacutenyozaacutesaacutet valamint tanaacutecsaival segiacutetett az eredmeacutenyek kieacuterteacutekeleacuteseacuteben

Koumlszoumlnoumlm tovaacutebbaacute Dr Csiacutek Attilaacutenak (Debreceni Egyetem) eacutes

kolleacutegaacuteimnak Pawel Adamiecnek Dr Gijs Franssennek (Varsoacutei IHPP PAS UNIPRESS) akik tanaacutecsaikkal eacutes segiacutetőkeacuteszseacutegűkkel jelentős meacuterteacutekben hozzaacutejaacuterultak a doktori munkaacutem megiacuteraacutesaacuteban

Irodalomjegyzeacutek

80

IX Irodalomjegyzeacutek 1 Jacques I Pankove Optical processes in semiconductors Prentice-Hall

Inc Englewood Cliffs New Jersey 1971 2 VP Dragunov IG Neizvestnyj VA Gridcin Osnovi nanoelektroniki

NGTU Novosibirsk 2000 332 3 SM Sze Physics of Semiconductor Devices Ch1-2 Wiley-Interscience

New York (1981) 4 HC Casey MB Panish Heterostructure Lasers Academic Press New

York (1978) 5 Semiconductors Basic Data ed by O Madelung Springer- Verlag New-

York Berlin Heidelberg (1996) 311 6 I Mojzes S Koumlkeacutenyesi Fotonikai anyagok eacutes eszkoumlzoumlk Műegyetemi

Kiadoacute (1997) 330 7 RN Hall at al PhysRevLett 9 366 (1962) 8 MG Bernard G Duraffourg PhysStat Solidi 1 (1961) 699 9 LA Coldren SW Corzine Diode Lasers and Photonic Integrated

Circuits John Wiley amp Sons New York 1995 10 Basil W Hakki and Thomas L Paoli J Appl Phys 46 (1975) 1299-1306 11 DAB Miller DSChemla S Schmitt- Rink Phys Rev B33 (1986)

6976 12 P Lefebre S Anceau P Valvin T Taliercio L Konczewicz T Suski

SP Lepkowski H Teisseyre H Hirayama Y Aoyogi Phys Rev B66 (2002) 195330

13 D P Bour D W Treat R L Thornton R S Geels and D F Welch IEEE J Quantum Electron 29 (1993) 1337

14 AT Meney AD Prins AF Philips JL Sly OrsquoReilly DJ Dunstan AR Adams A Valster IEEE J Sel Top Quantum Electron 1 no2 (1995) 697

15 SA Wood CH Molloy PM Smowton P Blood and DJ Somerford Appl Phys Lett75 (1999) 1748

16 RF Kazarinov MR Pinto IEEE J Quantum Electron 30 (1994) 49 17 A Haug D Kerkhoff W Lochmann Phys Stat Sol (b) 89 (1978) 357 18 A Haug Appl Phys B44 (1987) 151 19 B Goumlnuumll Semicond Sci Technol 14 (1999) 648 20 A Haug J Phys C Solid State Phys 16 (1983) 4159 21 A Haug JPhys Chem Solids 49 (1988) 599 22 A Haug Semicond Sci Technol 7 (1992) 1337 23 GP Agraval NK Dutta Semiconductor Lasers 2nd (ed Van Nostrand-

Reinhold) New-York (1986)


81

24 Introduction to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light Emitting Diodes ed by S Nakamura and S F Chichibu (Taylor amp Francis London 2000)

25 B Mroziewicz M Bugajski W Nakwaski Physics of Semiconductor Lasers PWN Warszawa 1991

26 BR Bennet RA Soref JA del Alamo IEEE J Quantum Electronics 26 (1990) 113

27 P Adamiec A Salhi R Bohdan A Bercha F Dybala W Treciakowski Y Rouillard A Jouillie Appl Phys Lett 85 (2004) 4292

28 MD Frogley JL Sly DJ Dunstan Phys Rev B58 (1998) 12579 29 F Mournaghan Proc Natl Acad Sci USA 30 (1944) 244 30 wwwiofferssiruSVANSMElectronic archive New Semiconductor

Materials Characteristics and Properties 31 Kam Y Lau Ultralow threshold quantum well lasers (Quantum well

lasers ed Peter S Zory Jr) Academic Press Inc San Diego (1993) 189 32 CJ Hawthom KP Weber and RE Scholten Rev of Scient Instruments

72 (2001) 4477 33 T Suski G Franssen P Perlin R Bohdan A Bercha P Adamiec F

Dybala W Trzeciakowski P Prystawko M Leszczynski I Grzegory S Porowski Appl Phys Lett 84 (2004) 1236

34 G Franssen T Suski P Perlin R Bohdan A Bercha W Trzeciakowski IMakarowa P Prystawko M Leszczyński I Grzegory and S Porowski SKoumlkeacutenyesi Appl Phys Lett 87 (2005) 041109

35 PG Eliseev P Adamiec A Bercha F Dybala R Bohdan W Trzeciakowski IEEE J Quantum Elect 41 (2005) 9

36 A Bercha F Dybala K Komorowska P Adamiec R Bohdan W Trzeciakowski J A Gupta P J Barrios G J Pakulski A Delage Z R Wasilewski PublicationProc SPIE 5722 (2005)565

37 R Wisniewski AJ Rostocki K Krajski W Boch Wysokie cisnienia wytwarzanie poiary zastosowania Wyd Naukowo-Techniczne Warszawa (1980) 328

38 Eremets MIItskevich ESKosichkinnYuV et al InstrumExperTechn 21 (1978) 487

39 K Vedman P Limsuvan J Chem Phys 69 (1978) 4762 40 K Vedman P Limsuvan J Chem Phys 69 (1978) 4772 41 P Adamiec F Dybala A Bercha R Bohdan W Trzeciakowski M

Osinski Proc SPIE 4973 (2003)158 42 F Dybala P Adamiec A Bercha R Bohdan W Trzeciakowski Proc

SPIE 4989 (2003) 181 43 R Bohdan A Bercha P Adamiec F Dybala and W Trzeciakowski

Instruments and Experimental Techniques 47(3) (2004) 422


82

44 G Franssen T Suski P Perlin R Bohdan A Bercha P Adamiec F Dybała WTrzeciakowski K Kazlauskas G Tamulaitis A Žukauskas R CzerneckiM Leszczyński and I Grzegory Phys Stat Sol(c) 2 (2005) 1019

45 A Bercha P Adamiec F Dybala R Bohdan W Trzeciakowski Proc SPIE 4986 (2003) 613

46 P Adamiec T Swietlik R Bohdan A Bercha F Dybala W Trzeciakowski Acta Physica Polonica A 103 (2003) 585

47 P Adamiec F Dybala A Bercha R Bohdan W Trzeciakowski Proc SPIE 5120 (2002) 172

48 F Dybala P Adamiec A Bercha W Trzeciakowski T Piwonski P Sajewicz M Bugajski IEEE Proceedings of ICTON 2002 International Conference on Transparent Optical Networks 2 (2002) 93

49 PPerlin V Iota BA Weinstein P Wisniewski T Suski PG Eliseev M Osinski Appl Phys Lett 70 (1997) 2993

50 G Vaschenko D Patel CS Menoni NF Gardner J Sun W Gotz CN Tome B Clausen PhysRev B64 (2001) 241308

51 M Hawley A R Adams M Silver A R Adams IEEE J Quantum Electron 29 (1993) 1885

52 A D Prins JL Sly AT Meney DJ Dunstan EP Orsquoreilli AR Adams A Valster J Phys Chem Solids 56 (1995) 423

53 T Kobayashi RS Deol Appl Phys Lett 58 (1991) 1289 54 EP Orsquoreilly G Jones M Silver AR Adams Phys Stat Sol (b) 198

(1996) 363 55 N Lifshitz A Jayaraman R A Logan RG Maines Phys Rev B20

(1979) 2398 56 T Sauncy M Holtz O Brafman D Fekete Y Finkelstein Phys Rev

B59 (1999) 5056 57 SR Jin SJ Sweeney CN Ahmad AR Adams BN Murdin Appl

Phys Lett 85 (2004) 357 58 H Muller R Trommer M Cardona P Vogl Phys Rev B21 (1980)

4879 59 A Virro J Friedenthal A Gerst P Louk A Niilisk A Rosental

Semicind Sci Technol 5 (1990) 847 60 A L Edwards H G Drickamer Phys Rev 122 (1961) 1149 61 R J Warburton R J Nicholas N J Mason PJ Walker AD Prins D J

Dunstan Phys Rev B43 (1993) 4994 62 VE Kudrjasov SS Mamakin AN Turkin A E Junovitch AN

Kovalev D I Manjachin Fizika i technika poluprovodnikov 35 (2001) 861


83

63 DP Bour RS Geels D W Treat TL Paoli F Ponce RL Thorton BS Krusor R D Bringans D F Welch IEEE J Quantum Electron 30 (1994) 593

64 Thomas L Paoli Peter A Barnes Appl Phys Lett 28 (1976) 714 65 Vu Van Luc P G Eliseev MA Manko GT Mikaelian OG

Okhotnikov Proc Lebedev Phys Inst NG Basov Ed New York Nova Sci Commack 166 (1986) 236

66 PG Eliseev J Maege G Erbert G Beister J Quantum Electron 25 (1995) 99

67 PG Eliseev O G Okhotnikov GT Pak Kratk Soobsch Po Fizike FIANMoscow (in Russia) N3 (1984) 21

68 Y Mitsuhashi J Shimada S Mitsutsuka IEEE J Quant Electron 17 (1981) 1216

69 S Nakamura M Senoh S Nagahama N Iwasa T Yamada T Matsushita H Kiyoko and Y Sugimoto Jpn J Appl Phys Part 2 35 L74 (1996)

70 Grzegory M Bockowski S Krukowski B Lucznik M Wroblewski J L Weyher M Leszczynski P Prystawko R Czernecki J Lehnert G Nowak P Perlin H Teisseyre W Purgal W Krupczynski T Suski LDmowski E Litwin-Staszewska C Skierbiszewski S Lepkowski and S Porowski Acta Phys Pol A 100 (2001) 229

71 P Perlin I Grzegory M Leszczynacuteski P Prystawko R Czernetzki GNowak P Wisniewski L Dmowski H Teisseyre E Litwin-StaszewskaT Suski M Bockowski B pounducznik G Franssen and S Porowski in Gallium-Nitride-based Technologies edited by M Osinski (SPIE Bellingham2002)

72 F Bernardini V Fiorentini and D Vanderbilt Phys Rev B 56 R10024 (1997)

73 GFranssen RBohdan S Lepkowski W Trzeciakowski TSuski and PPerlin XXXII International school on the physics of semiconducting compounds Jasowiec Abstracts (2003) 123

74 GFrannsen T Suski P Perlin R Bohdan A Bercha P Adamiec F Dybala W Trzeciakowski LH DmowskiSP Lepkowski H Teisseire PPristawko R Czernecki M Leszczynski I Grzegory and S Porowski XXXIII International school on the physics of semiconducting compounds Jasowiec Abstracts (2004) 127

75 A Vicet DA Yarekha A Perona Y Rouillard S Gaillard AN Baranov Spectrohimica Acta Part A 58 (2002) 2405

76 Akira Sugimura J Appl Phys 51 (1980) 4405 77 Akira Sugimura E Patzak and P Meissner IEEE J Quant Electronics

QE-21 (1985) 1851


84

78 AN Baranov C Fouillant P Grunberg JL Lazzari S Gaillard A Joullie Appl Phys Lett 65 (1994) 616

79 Sadao Adachi JApp Phys 61 (1987) 4869 80 RA Bendryus A Y Shileika Sov Phys Semicond 6 (1972) 1042 81 SR Jin SJ Sweeney AR Adams H Riechert Appl Phys Lett 82

(2003) 2335 82 L S Rothman et al J Quant Spectr Rad Transfer 48(1992) 469

HITRAN

Magas nyomaacutes hataacutesa a kvantumpotenciaacutel-goumldoumlr-leacutezerstruktuacuteraacutek

elektronfolyamataira

Eacutertekezeacutes a doktori (PhD) fokozat megszerzeacutese eacuterdekeacuteben a fizika tudomaacutenyaacutegban

Iacuterta Bohdan Roland okleveles fizikus

Keacuteszuumllt a Debreceni Egyetem fizika tudomaacutenyok doktori iskola szilaacuterdtestfizika eacutes anyagtudomaacuteny programja kereteacuteben

Teacutemavezető Dr Koumlkeacutenyesi Saacutendor

A doktori szigorlati bizottsaacuteg

elnoumlk Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip tagok Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip A doktori szigorlat időpontja 200hellip helliphelliphelliphelliphelliphellip hellip Az eacutertekezeacutes biacuteraacuteloacutei

Dr hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

A biacuteraacuteloacutebizottsaacuteg

elnoumlk Dr hellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip tagok Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Dr helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

Az eacutertekezeacutes veacutedeacuteseacutenek időpontja 200 helliphelliphelliphelliphelliphellip hellip

Ezen eacutertekezeacutest a Debreceni Egyetem TTK fizika tudomaacutenyok doktori iskola szilaacuterdtestfizika eacutes anyagtudomaacuteny programja kereteacuteben keacutesziacutetettem a Debreceni Egyetem TTK doktori (PhD) fokozataacutenak elnyereacutese ceacuteljaacuteboacutel Debrecen 2006 Bohdan Roland

Tanuacutesiacutetom hogy Bohdan Roland doktorjeloumllt 2005 ndash 2006 koumlzoumltt a fent megnevezett doktori iskola szilaacuterdtestfizika eacutes anyagtudomaacuteny programjaacutenak kereteacuteben iraacutenyiacutetaacutesommal veacutegezte munkaacutejaacutet Az eacutertekezeacutesben foglalt eredmeacutenyekhez a jeloumllt oumlnaacutelloacute alkotoacute teveacutekenyseacutegeacutevel meghataacuterozoacutean hozzaacutejaacuterult Az eacutertekezeacutes elfogadaacutesaacutet javasolom Debrecen 2006 Dr Koumlkeacutenyesi Saacutendor teacutemavezető

I BEVEZETEacuteS 1








VII SUMMARY71



Bevezeteacutes

1

I Bevezeteacutes







2








3









4





5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN















I BEVEZETEacuteS 1








VII SUMMARY71



Bevezeteacutes

1

I Bevezeteacutes







2








3









4





5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN















Bevezeteacutes

1

I Bevezeteacutes







2








3









4





5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN
















2








3









4





5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN
















3









4





5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN
















4





5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN
















5

a) b)

c) d)






kmEe

c k 22

2)( h=

(2)



ρ = (3)



6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN
















6

( ))( 22 iz

eD

EELh





22

2

2 dxEdxE el

d

del intint

infin+

infinminusminus

=Ω (5)




7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN
















7











a)

b)

c)

n

x

Ev

Ec

E2

x

qw qb qb cl cl

d

e

hν=Eg(qw)+Ee1+Ehh1

Ev

Eg(qb)

Ehh1 Ehh2

Elh1

Ee1

Eg(qw)

Ee2 Ec

h d)

qw qb qb




8






sIRdIdVI += β

1 (8)

eacutes

β1

222 minus=dIVdI (9)


β

L (r

ele

) I

dVd

I (re

le)

L



Ith

I

IdVdI

tg α =Rs

α

L(I)




9


dIdL

he

D νη = (10)







10




⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1ln21

RRLrrα (12)


1ln

21

1ln21

21

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

RRL

RR

iar

i

D

α

ηη (13)



( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+minus+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=minusΓ=

minus+

minus+

2121

2121

21

ln1ln211

PPPP




11


2

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

=Δ

λλ

λλ

ddn

nL efef

(15)






820 830 840 850 8600

500

1000

1500

2000

Inte

nzitaacute

s (r

ele

)

λ(nm)

8400 8405 8410 8415 84200

500

1000

1500

2000 Δλ

P-

P+In

tenz

itaacutes

(rel

e)

λ(nm)




12








ΔE

hν

Jteljes

Jteljes


Jrekomb


EC

EV

ΔE

a)

V1

ΔE c

E v

V1

ΔV

E fn

Ec

E fp ΔE v



13




thBN - a




H

S

C

H

S

CHCC CHSH

C

HH

S

LH

CHLH


C

H

S

ICHCC

C

H

S

I CHSH



14










15












16

( )θ

α+

minus=T

TETE gg

2

0)( (18)



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ minus=

0

000 exp

TTT

TJTJ thththth

(19)





⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=Δ

he mP

mN

ncen

022

22

8 επλ (20)


17





Eg


Elek

tron

ener

gia









[10]


18









( ) PP sdot+= 0 σσσ (25)







19




20 BPAPEE gg ++= (29)




20





E

Min X Min Γ

EΓ k k

Min X

Min ΓMin L

L E

a) b)



Koumlnnyű lyukak

E

E X E L E X

EΓ



20 kbar [30]

HH

LH

SO

C

HH LH

SO

C

HH

LH

SO

C E E

E




21




leacutezerlencse




22












23











24












GaNMg 40nm

p QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


In 002 GaNSi (50nm)





GaNMg 40nm

p- -QB GaNMg 100nm

GaNSi 400nm


a) LD1 b) LD2



25









QW Al013Ga087As 9nm






QW GaAs 9nm



a) LD3 b) LD4



26







QB GaAs 20nm








a) LD5 b) LD6



27










28




500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)



500 1000 1500 2000 2500

0

20

40

60

80

100

120

trans

zmis

szioacute

(1

cm)


metanol etanol



1

2

3

45

76





29






2500nm)





30





431 Alapismeretek


Nyomaacutes (kbar)

Δn




31







a) b)



-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

00 02 04 06 08 10 levegő

benzin

26o

15 o

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

Szoumlg (o)



32





r

n2n1 n1


nk nk



33



10

6

7

89

5

12

3

4

11

1

12




34






6

7

4

1 2 9

5

3

10

4 8





35








1

3

4

5

6 8

27




36















feacutenyszaacutel


kamra

preacutes



37







( )dP

hddP

dEg maxνasymp (30)




38



405 410 41500

02

04

06

08

10 0 kbar12 618

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rele

)

hullamhossz (nm)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

5

10

15

20

25

30

Telje

sitm

eacuteny

(μW

)

I (mA)





39







590 600 610 620 630 640

00

02

04

06

08

10

Nor

mal

izaacutel

t in

tenz

itaacutes

(rele

)




elő


40











820 840 860 880 900 920 940 960 98000

02

04

06

08

10 207 18 15 0 kbar42812

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 5 10 15 20 25 0

50

100

150

200

250

ΔE g

(meV

)

nyomaacutes (kbar)



41

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

00

02

04

06

08

10 192 134 88 44 0 kbar

Nor

mal

izal

t int

enzi

tas

(rel

e)

hullamhossz (nm) 0 50 100 150 200 250 300 3502000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

2400

2450


Hul

laacutem

hoss

z (n

m)


0 5 10 15 20 000

005

010

015

020

025

Eg e

ltoloacute

daacutesa

(eV

)

nyomaacutes (kbar)

LD6ITA (24 μm)


LD6III (23 μm)



1175 1200 1225 1250 1275 1300 1325

00

02

04

06

08

10 216 18 0kbar15 13 11 91 71 51 31 18

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)


0 40 80 120 160 200 240 280 00

05

10

15

20

25

12 kbar

10 8

6 41 0

Telje

sitm

eacuteny

(mW

)

I (mA)




42








dEgdp (meVkbar)

(meacutert)






GaInNAsGaAs 80 -835 83-84 [57] 84 [58] 180-280

170 2300-2500 InGaAsSb

AlGaAsSb 114 142 [59 ] 12-138[6061] 700



43









44


tot

p

JqkTz

σ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (32)


)exp(2

223

20 kTEkTm


⎜⎝⎛=

hπ (33)



n

ndiffL L

kTNJ 0μ

= (34)


p

totndriftL

JNqJσ

μ 0= (35)




45

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpkTAI diff

L025 exp)( α

(36)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus=

kTEpIkTAI tot

driftL

023 exp)( α (37)






)(2

22

chz

tr mmLkTn ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hπ (38)






46




( ) BkTkT


⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus= 025 exp)( α (39)

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δminus

minus=

kTEpkTA

BkTTpI drifttot

023 exp)(1

α

(40)






47





[46]




0 5 10 15 400 500 600 700 800 900


I th (m

a)

nyomaacutes(kbar)

-20C 10C 0C 10C 20C Fit

0 5 10 15

40

50

60


I th (m

A)

nyomaacutes (kbar)

-20C -10C 0C 10C 20C Fit




ΔE0=282 meV

0 2 4 6 8 10 12 14

40 50 60 70 80 90


I th(m

A)

nyomaacutes (kbar)

-30C -20C -10C 0C 10C 20C 30C Fit




48








49





0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400

Sanyo 785nm

P = 1 kbar

IdU

dI (

mV

)

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 6 kbar

0 20 40 60 80 100 120

100

200

300

400 P = 10 kbar

IdU

dI (

mV

)

Aacuteram (mA)0 20 40 60 80 100 120

100

200

300


Aacuteram (mA) 0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

Id

VdI

ugr

aacutesa

(mV)


2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0L D 4 - 8 5 0 n m

I th (m

A)

0 2 4 6 8 1 0 1 2

- 6 0

- 3 0

0

3 0

S a n y o 7 8 5 n m

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Ith (m

A)


0 10 20 30 4050

100

150

200LED4 - 850 nm

T = 293 K

IdV

dI (m

V)

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 273 K

0 10 20 30 4050

100

150

200

T = 233 K

IdV

dI (m

V)


50

100

150

200

T = 193 K

Aacuteram (mA)180 200 220 240 260 280 300 320 340

-30

-20

-10

0

10

20

LD4- 850nm LD3- 790nm

IdV

dI u

graacutes

a (m

V)




50



( ) ( ) ( ) sIICphs


⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=+Δ+= ln1

β (42)

ahol ( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

sIIIV ln1



( )( )thIdI

IdUβ

1minus=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛Δ (43)


( ) β1minus=Δ dI

IdU (44)





51



( )( )dIdN

NIRdI







( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛minus++=

minus

thth

thth

ths dI

dNN

IRIRdIdU 11

β (50)


ths RRdIdU +=

+ (51)



52

( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞⎜


minus+

thth

thth

th dIdN

NIRIdI

dUdI

dUdI

dUβ

1 (52)


( ) ( ) thth


1 (53)


( ) 01 gtminusth


1gt (54)



mAIth 20= Az



2400=μ




0 10 20 30 40 500

01

02

03

04

05

06

Rth=0ΩR

th=1Ω

Rth=4Ω

Rth=8Ω

IdU

dI (

V)

Aacuteram (mA)




53












54




E

Eg0 Eg a) b) c)

d) e)

MQWn-type GaN

p- type GaN

f)





55



E E=0




56




292

296

300

304

Ener

giac

suacutecs

(eV

)


0

1520253035

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

25

30

35

LD2 LD1

Aram (A)

dEEd

p (m

eVk

bar)

ND = 0

1x1018 cm-3

3x1018 cm-3

ND=1x1019 cm-3

dEEd

p (m

eVk

bar)

b)

c)

10-3 10-2 10-1 100

28 30 32 34

10-3 10-2 10-1 100

7 V 5 V 3 V 1 V 0 V

6 V 5 V 4 V 2 V 0 V


d)


D1 [Si] QBs=0

d)

Nor

mal

izal

t fot

oaacutera

m (r

ele

)





57










58




( )hhc

gca mm

EmCHCCE

+= (55)



0 5 10 15 20

140 160 180 200 220 240 260 280 300

055 060 065 070

Kuumlsz

oumlbaacuter

am (m

A)

nyomaacutes (kbar)

LD6IA

LD6IB

Eg (eV)

045 050 055 060 065 070 07508

10

12

14

16

18

I thI th

(1ba

r)

Eg (eV)






alatt)


59


= gshhc

sa E

mmmmCHSHE2

(56)





-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50 60 70 80 90


λ= 24μ m

L=750nm

I th (

mA)

nyomaacutes (kbar)




60







E 1 E 2 E 3

407 meV

135 meV

Γ

Γ

L X

gaacutet

gaacutet

Γ

Γ

284 meV

L

E 1 E 2

E 3

X

Γ

520 meV




050 055 060 065 070 075 080

50

100

150

200

250

300

350

400

450

I th m

A

Eg eV

+50oC +25oC -40oC -100oC




61



( ) ( )( )22

2 1ΔminusΔ+Δ

propgggs

hhp EEEm

mCHSHC (57)








62









1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340-4

-2

0

2

4

6

8

0kbar36kbar48kbar

108kbar144kbar

216kbar

Moacuted

us o

ptik

ai e

roacutesi

teacutesi

neacuten

yező

(cm

ndash1)

λ(nm)

A

B

C






63



1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340

(b)


λ (nm)

(a)

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rel

e)



1280 1285 1290 1295 1300 1305 1310

Nor

mal

izaacutel

t int

enzi

taacutes

(rele

)


λ (nm)

1280 1285 1290 1295 1300 1305


150 200 250 000

002

004

006

008

010



12kbar

Telje

siacutetm

eacuteny

(rele

)

I (m A)






64










fotodetektor

lencse


Optikai szaacutel


Tuumlkoumlr F =50cm




65






2310 2315 2320 23250

400

800

1200

I=420mA P=12kbar

trans

zmis

szioacute

(rel

e)



199 200 201 2020

10

20

30

40

50

60


I=195mA P=8kbar

trans

szm

issz

ioacute (r

ele

)






66






2310 2312 2314 2316 2318 232000

05

10


trans

zmis

szioacute

(rel

e)

hullamhossz (μm)

1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200


meacutert

trans

mis

szioacute

(rel

e)


HITRAN


1

4

5

73

2

6



7) dugattyuacute

2310 2312 2314 2316 2318 2320 23220

200

400


inte

nzitaacute

s (r

ele

)




alatt


67


































Summary 71

VII Summary





Summary 72






















Summary 76








Summary 77












79










80

















81




















82




















83















QE-21 (1985) 1851


84




HITRAN















Bohdan Roland - unideb.hu

Documents

Transcript of Bohdan Roland - unideb.hu