Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Фізико-технічний інститут

Курсова робота

по курсу “Оптоелектроніка”

“Розрахунок параметрів напівпровідникових інжекційних лазерів”

4 варіант

Виконав:

студент групи ФФ-71

Яцина В.О.

Перевірила:

Іванова В.В.

2010

Зміст

1. Вступ 3

2. Побудова зонної діаграми ДГС лазера 6

3. Розрахунок порогової густини струму, ККД та спектру

ДГС лазера 7

4. Розрахунок параметрів подвійної гетероструктури з квантово-розмірною активною областю для РО ДГС лазера на напівпровідникових з'єднаннях А³В⁵. 10

5. Розрахунок складу твердого розчину Al_xGa_1-xAs, що задовольняє розрахованим параметрам квантової ями в з'єднанні GaAs / Al_xGa_1-xAs. Зонна діаграма даної напівпровідникової структури для РО ДГС лазера

Спектр випромінювання. Пороговий струм накачування 14

6. Порівняння характеристик РО ДГС лазера та полоскового ДГС лазера 17

7. Висновки 18

8. Список використаної літератури 19

Мета

Ознайомитися з роботою інжекційних лазерів на гетеропереходах, навчитися розраховувати їх параметри.

Вступ

Основними особливостями напівпровідників, як лазерних активних матеріалів, є можливість отримання винятково високих показників підсилення з одиниці довжини, а також можливість безпосереднього перетворення електричної енергії в світлову, що відбувається при інжекційній люмінесценції. Перша особливість дозволяє, а іноді і вимагає застосовувати активні елементи винятково малих розмірів. Друга особливість притаманна лише інжекційним лазерам.

В інжекційних лазерах накачування проводиться шляхом інжекції неосновних носіїв заряду через p-n перехід при пропусканні через нього струму в прямому напрямку. Для оптимальної роботи таких лазерів потрібно сумістити область, в якій створена інверсія, з областю розповсюдження випромінювання, тобто в одному і тому ж активному шарі локалізувати нерівноважні носії заряду і фотони. В лазерах на звичайному p-n переході це реалізується далеко не оптимальним чином, тому вони мають в основному погані робочі характеристики, зокрема високі значеннями порогової густини струму.

Локалізацію електронного і світлового потоку і їх суміщення можливе в лазерах на подвійних гетероструктурах (ДГС), в якому активна область являє собою тонкий шар вузькозонного напівпровідника, розташованого між двома широкозонними n- i p- областями, що виконують функцію емітерів. Властивості гетеропереходів(одностороння інжекція, надінжекція і хвилеводний ефект) дозволяють суттєво полегшити досягнення умови інверсії в інжекційних ДГС лазерах. Широко використовується так званий смужковий лазер — інжекційний гетеролазер, в якому активна область викона в вигляді тонкої смужки. Така конструкція забезпечує зменшення робочого струму, ефективну селекцію поперечних мод в напрямку, паралельному p-n переходу, і забезпечує стійку роботу лазера.

Для зменшення робочого струму ДГС лазера потрібно зменшувати товщину активної області d. Однак при d<λ/n цьому перешкоджає збільшення втрат, викликаних просоченням світла в низькоомні P⁺ i N області( і зменшення коефіцієнта утримання світла ξ)(рис.2). Щоб зменшити обидва цих ефекти, необхідно розділити області електронного і оптичного обмеження, помістивши надтонкий шар товщиною d<< λ всередину більш товстого шару товщиною D≈ λ/d (рис. 1). При цьому ширина забороненої зони області, що забезпечує оптичне обмеження, має бути більше, чим активного шару.

Як видно з рис.2, параметр оптичного обмеження зменшується зі зменшенням d, але таке зменшення відбувається повільніше, ніж в ДГС-лазері. Дійсно, при d<< λ в ДГС лазері без роздільного обмеження величина ξ зменшується приблизно як d^-2, що визначається двома причинами: 1) збільшення ширини розподілу випромінювання, що викликане послабленням хвилеводного ефекту при d<< λ, тобто розширенням області оптичної локалізації, і 2)чисто геометричним зменшенням d. В лазерах з роздільним електричним і оптичним обмеженням(РОДГС лазерах) перша причина анулюється, друга залишається.

Для успішної роботи РОДГС лазера зменшення ξ при зменшенні d повинне компенсуватися ростом показника підсилення α_w в активному шарі. В сучасних РОДГС лазерах в якості активної області використовуються квантоворозмірні структури( квантові ями і квантові точки). Застосування квантоворозмірних структур в активній області таких лазерів дозволяє:

1)зменшити порогову густину струму накачування;

2)послабити температурні залежності;

3)збільшити коефіцієнт підсилення з одиниці довжини активної області;

4)покращити спектральні характеристики.

Таким чином, в даній роботі є можливість оцінити та порівняти параметри ДГС та РОДГС лазера на основі теоретичних розрахунків, вияснити, наскільки вони співпадають з експериметальними результатами для аналогічних лазерних структур.

Рис.1.Гетеролазер з роздільним електроннним і оптичним обмеженням: а-енергетична діаграма, б- розподіл показника заломлення n i поля випромінювання Фw.

Рис.2. Залежність параметру оптичного обмеження від товщини активного шару d для ДГС лазера (1) і РОДГС лазерів з різною шириною оптичного обмеження w(2,3).

2.Побудова зонної діаграми дгс лазера

1.1. Побудувати зонну діаграму ДГС лазера на основі слідуючих даних:

х₁=х₂=0,3; рівень легування активної p-GaAs області N_A-N_D=1,2*10¹⁸ см^-3;

концентрація нерівноважних носіїв, що відповідає рівню накачування n=2*10¹⁸ см^-3.

Із закону електронейтральності виражаємо :

Розрахуємо положення квазірівнів Фермі (кілька перших членів формули Джойса і Діксона для рівня Фермі у виродженому випадку [1,5]):

Для арсеніду галію , m*_p=0,45m_e, m*_n=0,067m_e тоді при кімнатній температурі (300К):

N_c = 0,4353*10¹⁸ cм^-3 N_v = 7,576*10¹⁸ см^-3

=

= E_c + 8,617*10^-5*300*(ln(2/0,4353) + 0,35355*(2/0,4353)-0,00495*(2/0,4353)²)=

= Eс + 0,0394+ 0,0393=Ec+0,0785 (еВ)

=

= E_v - 8,617*10^-5*300*(ln(3,2/7,576) +0,35355*(3,2/7,576)-0,00495*(3,2/7,576)²)=

= E_v + 0,0228 - 0,0038 = E_v + 0.019 (eВ)

Як бачимо, квазірівень Фермі F_v^x лежить в забороненій зоні, але умова інверсної населеності для коректної роботи лазера виконується, тобто F_c^x-F_v^x=E_g+0,0785-0,019=E_g+0,0595 (eВ) , i

F_c^x-F_v^x> E_g.

Електронні спорідненості для GaAs і Al_xGa_1-xAs χ₁ і χ₂ відповідно рівні [6]:

χ₁=4,07 (eВ)

χ₂=4,07-1,1х (еВ)

χ₂=4,07-1,1*0,3=3,74 (еВ)

Ширина забороненої зони для для GaAs і Al_xGa_1-xAs E_g1 i E_g2 відповідно [3]:

E_g1 = 1,424 (еВ)

E_g2=1,424+1,247x = 1,798 (eВ)

∆E_g = E_g2-E_g1=0,3741 (eВ)

∆E_c=χ₂-χ₁ = 0,33 (eВ) ∆E_v=∆E_g-∆E_c = 0,044 (eВ)

Для визначеності в побудові діаграми візьмемо рівень концентрації в N області

N=1,5*10¹⁷ см^-3(рівень легування N_D-N_A≈3*10¹⁷ см^-3) . Йому відповідає рівень Фермі(обраховується аналогічно):

E_cN-F_cN=0,0244 (еВ)

Для p-N гетеропереходу різниця потенціалів обраховується [1]:

V=E_g1+[∆E_c-(E_cN-F_cN)]-[F_v^x-E_v]=1.424 + 0,33 - 0,046 - 0,019 = 1,689 (eВ)

Для P-p гетеропереходу для концентрацій домішок, що зустрічаються зазвичай, контактна різниця потенціалів приблизно нульова [1].

Отримуємо зонну діаграму ДГС лазера (рис.1).

Р ис.3.Зонна діаграма ДГС лазера

3.Розрахунок порогової густини струму, ккд та спектру дгс лазера

Вихідні дані:

робоча температура - кімнатна (300К);

довжина резонатора L = 760 мкм;

товщина активної області d_al = 0,22 мкм;

робоча довжина хвилі для розрахунку λ = 873 нм;

концентрація нерівноважних носіїв, що відповідає рівню накачування n = 2 · 10¹⁸ см^-3;

ширина смужка w = 5 мкм.

Порогова щільність струму накачування дорівнює:

,

де е - заряд електрона, ξ - коефіцієнт утримання мод, β - коефіцієнт об'ємних втрат на одиничній довжині (β = 10 см^-1), R - коефіцієнт відбиття світла на торцях резонатора, А₀ - ефективний переріз індукованого випромінювання, В = 7.10 ^-10 с-¹см³ - швидкість міжзонної випромінювальної рекомбінації при кімнатній температурі для GaAs, L - довжина резонатора,

α₀ - показник підсилення.

Знайдемо α₀ і А₀.

Енергія кванта випромінювання:

Для накачування n = 2 · 10¹⁸ см^-3 і енергії Е з графічної залежності, наведеної в додатку до завдання курсової роботи отримуємо . Порогова концентрація нерівноважних носіїв щодо підсилення n₀ = 5.10¹⁷ см^-3, знаходимо ефективний переріз індукованого випромінювання А₀:

За формулою з додатка 1:

n=3,64

Коефіцієнт відбиття:

Знайдемо

Так, як товщина активної області

Підставляючи всі знайдені параметри в формулу для порогового струму накачування отримуємо:

ККД лазера

Як відомо, внутрішній квантовий вихід для сучасних лазерних структур(так як і діодних) порядку 1, тому наближено оцінимо значення ККД для струму, що перевищує пороговий вдвічі: