3.3 Инжекционные лазеры на гомопереходах.

При соединении вырожденных полупроводников n- и p-типов на короткое время возникает инверсное состояние между участком, примыкающим к дну зоны проводимости, и участком вблизи потолка валентной зоны, которое затем быстро исчезает. Часть электронов из зоны проводимости переходит в валентную зону и уровни Ферми выравниваются (рис.1.29).

рис.1.29

Поэтому для поддержания состояния с инверсией населенностей необходимо приложить к p-n переходу внешнее электрическое поле, которое будет осуществлять инжекцию электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону (рис.1.30).

рис.1.30

Условие, необходимое для обеспечения инверсии, создается при

Е_Fn– E_Fp= E, (2.20)

где Е_Fn и Е_Fp– энергия уровней Ферми в валентной зоне и зоне проводимости соответственно,

Е – ширина запрещенной зоны.

При рекомбинации электрона и дырки может быть испущен квант света с энергией Е = h . Таким образом условие, необходимое для получения вынужденного излучения, запишется

Е h Е_Fn – E_Fp (2.21)

Cкорость инжекции электронов и дырок в запирающий слой должна быть достаточной для поддержания инверсного состояния. Отсюда определяется пороговый ток накачки.

Величина внешнего напряжения для поддержания инверсного состояния должна быть не ниже

U = E / e, (2.22)

где е заряд электрона.

Для полупроводника, например, из GaAs U = 1,5 В.

Величина плотности инжекционного тока, при которой мощность вынужденного излучения равна потерям в переходе, называется пороговой плотностью тока j_пор. При j<j_пор – в лазере преобладает спонтанное излучение, при j>j_пор - вынужденное излучение.

Следует отметить, что пороговые плотности тока для полупроводниковых лазеров имеют большую величину и сильно зависят от температуры. Так для лазера на основе GaAs j_пор 1∙10⁵ А/см² при Т = 300К (27⁰С). Это очень большая плотность тока, приводящая к разогреву структуры, поэтому приемлемых плотностей тока можно достичь при охлаждении кристалла до Т=77К (уровень жидкого азота). В этом случае j_пор 1∙10³ А/см².

Реально работать полупроводниковые лазеры могут только при низких температурах. Отметим возможные способы снижения пороговой плотности тока.

1. j_пор можно снизить за счет увеличения внутреннего квантового выхода _к.

_к = число фотонов/ число электронов, прошедших через кристалл.

Этого можно достичь использованием гетероструктур

2. j_пор можно снизить за счет снижения потерь в резонаторе (оптическое ограничение в двойной гетероструктуре).

3. j_пор можно снизить за счет уменьшения площади токоведущих контактов (полосковые лазеры).

0. 3.4 Полупроводниковые инжекционные лазеры на

гетеропереходах.

Гетеропереход – это контакт между двумя веществами, отличающимися шириной запрещенной зоны. Для лазеров на гетеропереходах (гетеролазерах) используются полупроводниковые материалы с различной величиной запрещенной зоны. Для их построения обычно используется двойная гетероструктура с дополнительным запирающим узкозонным полупроводником. На рис. приведена качественная структура энергетических зон (без учета плавности изменения энергетических уровней в зоне контактов) двойной гетероструктуры.

Между широкозонными легированными областями p и n, образованными, например, соединениями InP , находится низколегированная n область GaInAs с более узкой запрещенной зоной. Т.к. в этом случае в области переходов возникает гетеробарьер с энергией E_б, равный разности энергетической ширины запрещенных зон, то этот гетеропереход будет препятствовать проникновению инжектированных носителей в широкозонные области InP. Это явление называется эффектом удержания носителей.

Кроме указанного эффекта в гетеролазерах реализуется эффект удержания света. Он достигается за счет полного внутреннего отражения на границах центрального узкозонного слоя, имеющего больший показатель преломления, чем окружающие его широкозонные слои (рис.). Поскольку при использовании двойной гетероструктуры свет и носители заряда удерживаются в узкозонном слое и активно взаимодействуют, то оказывается возможным создание полупроводникового лазера с низким значением тока (пороговые плотности тока порядка 500 А/см²).

Т.к. узкозонный активный слой представляет собой диэлектрический световод, то толщина активного слоя d, при котором имеет место распространение только одной поперечной моды, должна удовлетворять условию

d ≤ λ/(2(2∆)^0,5∙n₁)

где ∆ - относительная разность коэффициентов преломления

∆ =( n₁² – n₂²)/ 2n₁²

Значение d , при котором имеет место распространение только одной поперечной моды, при λ = 1,55мкм, n₁=0,1, оказывается равно 0,5мкм.

Волноводный слой толщиной d располагается между высоколегированными широкозонными областями. Резонатор лазера образован зеркалами, роль которых выполняют торцевые грани. Диаграмма направленности гетеролазера имеет существенно разные растворы в вертикальной и горизонтальной плоскостях и подобна диаграмме направленности полупроводникового лазера.

В зависимости от вида используемых полупроводниковых материалов и концентрации примесей может быть получено излучение с длинами волн λ = 0,3…..30 мкм. Мощность при непрерывном режиме излучения 5…10 мВт, при импульсном режиме до 100 Вт. Коэффициент полезного действия достигает 20%.

Достоинства полупроводниковых лазеров:

1. Высокая концентрация возбужденных атомов обеспечивает сильную инверсию населенности, что позволяет создавать миниатюрные лазеры.

2. Простота накачки.

3. Легкость модуляции излучения в широкой полосе частот, осуществляемая модуляцией тока в лазере.

4. Простота конструкции.

5. Высокий к.п.д.

6. Технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.

Недостатки полупроводниковых лазеров:

1. Высокая расходимость лазерного излучения.

2. Плохая монохроматичность.

3. Низкая долговечность, обусловленная быстрой деградацией полупроводниковой структуры из-за больших токов, протекающих через структуру.