6.6.2.1. Лазер на гомопереходе

В лазерах на гомопереходе накачка осуществляется в р — п-переходе, в котором как р-, так и /г-области выполнены из од­ного и того же полупроводникового материала (например, GaAs). Как р-, так и л-область являются вырожденными полу­проводниками, т. с. концентрации акцепторов и доноров в них

столь велики (~ 10¹⁸ атомов/см³), что уровни Ферми Ef_p для р-области попадают в валентную зону, а уровни Ферми £,„для n-области — в зону проводимости. Когда переход сформирован, а напряжение не прикладывается, оба уровня Ферми имеют одинаковые энергии, т. е. лежат на одной горизонтальной линии на рис. 6.41, а, на котором представлена зонная структура р — /г-диода. Когда прикладывается напряжение V, два уровня Ферми становятся разделенными промежутком

_AE-=eV.

(6.38)

Таким образом, если диод смещен в прямом направлении, зон­ная структура примет вид рис. 6.41, б. Из рисунка видно, что в

_п

^{Р , I п}

_I

¹! i

I I

I ^ !

_т

^С_{& J J-}

Fp //////л // ////////////////////>//,' ₍ j * i 4 у/.

_|>

//У/У/////,/,//У

_s

Рис. 6.41. Принцип действия полупроводникового лазера на основе р — л-ие-рехода в отсутствие смещения (^ и при смешении в прямом направлении (б).

области перехода возникает инверсия населенностей. По суще­ству, при смещении в прямом направлении происходит инжек-ция в активный слой электронов из зоны проводимости мате­риала д-типа и дырок из валентной зоны материала р-типа. Как только электрон достигает материала р-типа, он становится не­основным носителем и диффундирует до тех пор, пока не ре-комбинирует с дыркой в валентной зоне. Поэтому толщина ак­тивной области d приблизительно равна среднему расстоянию, проходимому электроном до рекомбинации с дыркой. Согласно

теории диффузии, толщина d дается выражением d= <\JD%, где D — коэффициент диффузии, а т—среднее время существова­ния неосновного носителя до рекомбинации. В GaAs мы имеем D = 10 см²/с, ат« 1 не, так что d & 1 мкм. Наконец, заметим,

^{что, поскольку АЕ » Е}₈^{, где Е}₈^{— ширина запрещенной зоны, из}

соотношения (6.38) следует, что V та E_g/e. В случае GaAs мы имеем V ~ 1,5 В.

На рис. 6.42 приведена типичная конструкция лазера на р - n-переходе. Заштрихованная область представляет собой ак­

тивный слой. Видно, что диод имеет небольшие размеры. Чтобы обеспечить необходимую для генерации обратную связь, две вы­ходные плоскости делают параллельными друг другу, обычно по­средством скалывания вдоль кристаллографических плоскостей. Во многих случаях на эти поверхности не наносятся отражаю­щие покрытия, Действительно, так как показатель преломления у полупроводника очень большой (например, п = 3,6 в GaAs),

то на поверхности раздела воздух при френс-

Область p-munct

Область п-типа

Сколотая грань

Грубо обработанная поверхность

Лазерный пучок

левском отражении мы уже получаем достаточно высокий коэф­фициент отражения (около 35% для GaAs). Заметим, что, как отмечалось выше, толщина активной области в перпендикуляр­ном кр— я-переходу направлении составляет около 1 мкм. Од­нако вследствие дифракции поперечный размер лазерного пучка

в этом направлении значительно больше толщины активной об­ласти (~ 5 мкм). Следовательно, лазерный пучок довольно да­леко проникает в р- и ^-области, где испытывает сильное по­глощение. Это является главной причиной, почему пороговая плотность тока при комнатной температуре в лазере на гомопе-

реходе оказывается высокой (~ 10⁵ А/см² для GaAs). Вслед­ствие этого лазер не может работать в непрерывном режиме при комнатной температуре (или выйдет из строя через очень ко­роткое время!). Однако пороговая плотность тока в диодном лазере быстро уменьшается с понижением рабочей температуры. Это обусловлено тем, что с понижением температуры величина *.(1__м увеличивается, a f_v{\ —f_c)уменьшается. Поэтому уси­ление [которое зависит от разности f_c (1 — М — h (1 - fc) ;см. уравнение (6.34) ] быстро возрастает. Вследствие этого лазеры

на гомопереходе могут работать в непрерывном режиме только при низких температурах. Это является серьезным недостатком данного типа лазеров и наложило ограничения на возможности их практического применения.