3.3 Полупроводниковые лазеры

Это лазеры на основе полупроводниковой активной среды. В отличие от лазеров других типов, в которых используются квантовые переходы между разрешенными дискретными уровнями, в полупроводниковых лазерах используются переходы между разрешенными энергетическими зонами (рис. 3.2).

а) б) в)

Рис. 3.2 Энергетические переходы в полупроводниках

Для того чтобы заставить полупроводник усиливать падающий на него свет необходимо, как и в любом другом лазере, создать в нем инверсию населенностей, с тем чтобы концентрация электронов в области, примыкающей ко дну зоны проводимости, была выше концентрации электронов в области, примыкающей к потолку валентной зоны. Если в такой идеальный полупроводник попадают фотоны с энергией, большей ширины запрещенной зоны, то возникают вынужденные переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием новых фотонов, точно совпадающих по своим свойствам с первичными фотонами. В этом случае полупроводник может усиливать и генерировать оптический пучок.

В соответствии с зонной теорией полупроводников при поглощении фотона происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуется дырка. Одновременно с процессом генерации электронно - дырочных пар происходит процесс перехода возбужденного электрона в валентную зону, где он занимает место дырки (рекомбинация электронно - дырочной пары). Если рекомбинация электронно - дырочной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимости на свободное место в валентной зоне называется прямым. Если же такой переход электрона сопровождается изменением колебательного состояния решетки с излучением фонона, то переход называется непрямым.

Для создания условий усиления оптического пучка необходимо создать полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие (вырожденный полупроводник). С этой целью увеличивается концентрация электронов вблизи дна зоны проводимости и дырок около потолка валентной зоны. Создать условия вырождения одновременно электронов и дырок в одном полупроводнике очень трудно. Поэтому используют два полупроводника n и p типов, в каждом из которых электроны или дырки вырождены. Это достигается в электронно - дырочном переходе на границе p и n слоев. Условие инверсии населенностей выполняется при приложении к p-n переходу внешнего напряжения в прямом направлении. В этом случае через p-n переход потекут электронные и дырочные токи. В тонком слое p-n перехода они рекомбинируют, излучая фотоны с частотой . Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в p-n переходе концентрацию носителей, достаточную для условия вырождения электронов и дырок. Чем выше электрическое поле в p-n переходе, тем больший ток протекает через переход. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает поглощение, называется пороговым. На пороге генерации должно выполняться условие

ТR 1 (3.1)

где Т – коэффициент усиления на длине активной среды, R – коэффициент отражения зеркала резонатора.

При токе выше порогового p-n переход является усиливающей средой. Введя положительную обратную связь в виде резонатора, из усилителя света можно получить генератор.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход, получил название инжекционного лазера. Причем состояние инверсии можно создать электронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.

Среди лазерных материалов выделяются соединения и составы, составляющие изопериодические пары. Это пары кристаллов, различающихся по химическому составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. Эти материалы пригодны для создания методами электронно - лучевой эпитаксии бездефектных гетеропереходов. Поэтому широкое применение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур. Наиболее эффективными оказались полупроводниковые лазеры на основе двойной гетероструктуры с активным слоем из узкозонного (т.е. с малой шириной запрещенной зоны) полупроводника, заключенного между двумя слоями широкозонного полупроводника (эмиттерные слои). Активный слой обладает прямозонными переходами, а также свойствами диэлектрического волновода, который удерживает поток излучения и уменьшает дифракционные оптические потери. Активный слой образует собой потенциальную яму для избыточных носителей одного или обоих знаков. Двухстороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению в активном слое областей инверсной населенности и светового поля. Поэтому в гетеролазерах уже при малом токе накачки можно получать устойчивую генерацию. Резонатором таких лазеров служат грани кристалла (рис. 3.3),

Рисунок 3.3 Схема полупроводникового лазера

Но можно использовать и внешние оптические отражатели (зеркала). Полупроводниковые лазеры могут быть объединены в многоэлементные излучатели – фазированные лазерные монолитные ячейки или лазерные матрицы.

В гетеролазерах в качестве узкозонного материала с прямыми переходами используют соединение GaAs (арсенид галлия с = 1,5 эВ). Более широкозонный элемент, выполняющий роль эмиттера, является непрямозонным. Например, соединение AlAs (арсенид алюминия с =2,1 эВ). Эти два соединения наиболее подходящие для создания гетеролазеров, поскольку у них и периоды решетки различаются на 0,14 % , что необходимо для успешной генерации света. Прямозонные полупроводники, используемые в лазерах, относятся в основном к трём группам соединений: (InSb, InAs, InP, GaAs), (GaSe, PbTe). В многокомпонентных твердых растворах изопереодических полупроводников возможности материалов для гетеропереходов расширяются, что позволяет перекрывать диапазон лазерного излучения от 800 до 1700 нм при комнатной температуре.

Пороговая плотность тока в инжекционных гетеролазерах составляет при комнатной температуре порядка 200 А/ , коэффициент преобразования электрической энергии в оптическую энергию превышает 50 %. Типичная мощность излучения в непрерывном режиме составляет порядка десяти –двадцати милливатт. В импульсном режиме мощность излучения может достигать 10⁵ Вт и ограничивается только оптической прочностью материалов. Это наиболее характерно для многоэлементных лазерных излучателей, сформированных на одном полупроводниковом кристалле.

При уменьшении активного слоя в гетеролазере до толщины менее 50 нм в нем проявляется волновая природа электронов. Такие полупроводниковые лазеры называются квантоворазмерными или лазеры с «квантовыми ямами». Если в микроэлектронных приборах поведение электрона определяется как поведение элементарной частицы, имеющей массу и заряд, то в приборах, где толщина переходов находится в нанометровой области (~ 10^-9 м), поведение электрона определяется его волновыми свойствами. Наноэлектронный элемент состоит из набора квантовых ям или квантовых точек и потенциальных барьеров между ними. Такие квантовые ямы могут создаваться на основе многослойной структуры, состоящей из слоев с различным типом проводимости или различным сопротивлением. Например, тонкий слой металла, ограниченный с двух сторон тонкими слоями диэлектрика. Металл представляет собой квантовую яму, а диэлектрики создают туннельные барьеры. Преодолеть такие барьеры могут только электроны, обладающие достаточной энергией, а остальные электроны с меньшей энергией запираются в яме. Проникновение электронов через барьер называется туннелированием. Более подробно свойства квантоворазмерных п/п лазеров изложены в главе 4.

Различные типы полупроводниковых лазеров нашли широкое применение в системах записи и воспроизведения информационных сигналов. В ряде них применение лазеров отражено в самих названиях : лазерный принтер, лазерный диск. Они составляют основу волоконно-оптических систем связи, оптических дальномеров, целеуказателей, высотомеров. Полупроводниковые лазеры служат в устройствах накачки современных твердотельных лазеров и других разнообразных устройствах и системах. На сегодняшний день среди всех типов лазеров полупроводниковые лазеры занимают первое место по уровню производства.