Гетероструктурні лазери: лазери з одинарним гетеропереходом; лазери з подвійною гетероструктурою

Істотне покрашення характеристик напівпровідникових лазерів і перш за все різке зменшення порогової густини струму і зв’язана з цим можливість роботи в неперервному режимі при кімнатній температурі, збільшення ефективності інжекції носіїв у р-n–перехід, а також обмеження носіїв в області переходу досягається при використанні гетероперехідних лазерних структур.

Гетеропереходом називається створений в одному кристалі перехід між двома різними напівпровідниками. Різниця між напівпровідниками полягає в їх зонній структурі, важливішою характеристикою якої є ширина забороненої зони. Гетероперехід називається ізотипним, якщо він утворений між напівпровідниками з однаковим типом провідності, і анізотипним, якщо напівпровідники, що утворюють його, мають різні типи провідності. Для описання гетеропереходів зручно позначати тип провідності з меншою шириною забороненої зони строчними буквами n або р, а напівпровідник з більшою шириною забороненої зони – заголовними буквами N або Р. При позначенні гетеропереходу тип провідності напівпровідника з меншою шириною забороненої зони домовились записувати першим, тобто ізотипний гетероперехід записують наступним чином n–N, або Р–р, а анізотипний гетероперехід – n–P або р–N.

Основною ознакою класифікації активних елементів є тип структури активної області. В “гомоструктурах” інжектуючим контактом служить p-n-перехід в однорідному за складом напівпровіднику (з різними легуючими домішками в р- і n-областях діода). “Гетероструктури” являють собою комбінацію із гетеропереходів між різними напівпровідниками і p-n-переходів.

Необхідно зауважити, що в інжекційних лазерах використовуються гетеропереходи, які задовольняють вимозі ізоперіодичності, тобто близькості співпадання періодів ґратки з обох сторін. Найпростішою гетероструктурою може служити одинарний p-n-гетероперехід, який працює в якості інжектуючого контакту. Проте, така структура не має істотних переваг перед гомоструктурою. Більш складні гетероструктури дають настільки значний виграш у порівнянні з гомоструктурами, що лазери на їх основі (гетеролазери) практично витіснили гомолазери із усіх сфер використання неохолоджуваних інжекційних лазерів (при низьких температурах властивості гомо- і гетеролазерів зближаються)

Існують наступні різновидності лазерних гетероструктур: односторонні (одинарні, ОГС); двосторонні (подвійні, ДГС); із “роздільним обмеженням” (РО); “варізонні” (ВЗ).

Е_

Е_

а)

б)

Рис. . Схема енергетичних зон двух схожих типів гетероструктур: а – p-P-гетероструктури; б – n-N-гетероструктури зі зміщенням і без нього.

Е_

Е_c

F_

F_c

F

4

1

2

3

а)

б)

Рис. . Схема енергетичних зон різко вираженого p-N-гетероперехода:1 – пік; 2 – впадина; 3 – скачок;

4 – вільний простір.

В односторонній гетероструктурі активний шар розташований між p-n-переходом (гомопереходом) та ізотипним гетеропереходом, який відо­кремлює його від більш широкозонного матеріалу. Якщо активна область має провідність діркового типу, то умовно така структура записується так n-р^*-Р, де прописна буква використана для позначення широкозонного матеріалу, а зірочкою позначена активна область. Товщина активної області не перевищує дифузійну довжину інжектованих носіїв, бо в протилежному разі вплив р^*-Р границі буде неістотним. Ця - границя запобігає дифузійному розтіканню неосновних носіїв і, таким чином, обмежує об’єм активної області. Пасивні області гетероструктури часто називають емітерами. Отже, в ОГС є n-емітер і Р-еметір, які постачають в активний шар, відповідно, електрони і дірки (рис.1)

Гетероструктури одержують епітаксіальним нарощуванням монокристалічного шару напівпровідника на монокристалічній підкладці другого напівпровідника. Зрозуміло, що таке нарощування без істотного порушення монокристалічності всього зразка у цілому можливо тільки для тих напівпровідникових матеріалів, кристалічні гратки яких майже не відрізняються одна від одної. Прикладами таких пар є GaAs-Al_xGa_1-xAs, GaAs-GaAs_xP_1-x, CdTe-CdSe і т.д. Увівши відповідним чином акцепторні та донорні домішки, можна створити напівпровідникові діоди з гетеропереходом.

Для створення досконалих гетероструктур необхідно, щоб контактуючі матеріали мали однаковий тип ґратки і близькі періоди. Саме така ситуація у випадку GaAs і AlAs. Тому у твердому розчині Al_xGa_1-xAs заміщення алюмінію галієм, і навпаки, відбувається практично без зміни періоду гратки, і в отриманій на основі цього матеріалу гетероструктурі дефекти невідповідності майже відсутні.

При створенні лазера з одинарним гетеропереходом (рис.1) аномально швидка дифузія Zn в GaAs використовується для формування дифузійного p-n-переходу, який знаходиться на 12 мкм нижче гетеропереходу Ga_1-xAl_xAs – GaAs. Якщо концентрації донорів в n-області і дірок в р-області приблизно однакові по обидва боки р-n-переходу, то інжекційний струм буде існувати головним чином за рахунок електронів, які інжектуються в шар р-типу, так як ефективна маса електронів майже в сім разів менша за масу дірки в Ga_1-xAl_xAs. Таким чином, шар з інверсною заселеністю (активний шар) в ОГ-лазерах такого типу знаходиться у матеріалі GaAs р-типу, як показано на рис.2. Слід мати на увазі, що оскільки дифузійна довжина інжектованих електронів складає всього біля 1 мкм, то збільшення товщини шару р-GaAs вище цього значення приводить до зменшення ефективності і більш високої порогової густини струму. Це зумовлено тим, що область інверсної заселеності усе ж обмежена товщиною біля 1 мкм, де в основному відбувається рекомбінація електронів. Таким чином, навіть якщо оптична мода простирається по всьому шару р-GaAs, вона може накачуватися стимульованим випромінюванням тільки у шарі товщиною 1 мкм, який прилягає до р-n-переходу, що знижує ефективність пристрою. У деяких випадках виникає необхідність у збільшенні товщини шару р-GaAs більше 1 мкм навіть за рахунок зростання густини порогового струму, так як корекція дифракції оптичного пучка у більш товстому шарі приводить до малого кута розходження світла, що випромінюється в площині перпендикулярній до р-n-переходу. В ОГ-лазері оптичне обмеження відбувається тільки на одній стороні світловипромінюючого переходу, а саме на поверхні поділу між шарами р-GaAs і р-Ga_1-xAl_xAs. Хоча в

збідненому шарі самого р-n-переходу існує хвилеводний ефект внаслідок зниження концентрації носіїв, але його вплив настільки малий, що ним можна знехтувати у порівнянні із значним обмеженням, яке має місце завдяки зміні коефіцієнта заломлення в гетеропереході. Таким чином, структура ОГ-лазера тільки частково ефективна в досягненні бажаного оптичного обмеження. В результаті ОГ-лазер має більш високу густину порогового струму у порівнянні з ДГ-лазером. У дійсності ОГ-лазери при кімнатній температурі повинні працювати в імпульсному, а не в неперервному режимі. У багатьох випадках використання імпульсного режиму не зашкоджує роботі системи в цілому і може бути навіть корисним, наприклад, для того, щоб в процесі обробки інформації покращити відношення сигнал-шум. Таким чином, ОГ-лазери можуть широко використовуватися як джерела світлових імпульсів в інтегрально-оптичних пристроях.

У двосторонній гетероструктурі (ДГС) або емітери виготовлені з матеріалу більш широкозонного по відношенню до активного середовища; структури можуть бути типу Pp^*N i Pn^*N (рис. 3). Такі гетероструктури забезпечують не тільки електронне обмеження, але і ефективно ............ дифракційні втрати випромінювання, тобто забезпечують оптичне обмеження (завдяки сильному хвиле водному ефекту). В результаті саме в ДГС досягається найменша порогова густина струму (для кімнатної температури це 0,5-1 кА/см²).

Реальна структура звичайного ДГ-лазера представлена на рис.4 разом з профілем показника заломлення в напрямі, перпендикулярному p-n-переходу. Основну тришарову хвилеводну структуру Al_xGa_1-xAs одержують епітаксіальним нарощуванням на сильнолегованій підкладці n⁺-типу і покривають сильнолегованим шаром p⁺-GaAs, щоб полегшити формування електричних контактів. Активну область створюють на стороні р-типу p-n-переходу. Досить часто активний шар повинен містити певну концентрацію атомів Al, щоб зсунути оптичне випромінювання у сторону більш коротких довжин хвиль. Товщина активного шару повинна бути меншою ніж 1 мкм, щоб гарантувати існування інверсної заселеності рівномірно всередині цього шару, а не у шарі, обмеженим довжиною дифузії інжектованих електронів. Насправді товщину активного шару часто зменшують до 0,2-0,3 мкм, щоб досягти великих значень інверсної заселеності і густини генерованих фотонів. В гетероструктурі p-n-перехід носить найбільш різкий характер, відсутнє дифузійне розтікання інжектованих носіїв, які концентруються при інжекції в добре визначеній вузькій області переходу. Тому зменшується величина порогової густини струму інжекції. Крім того, показник заломлення трикомпонентного напівпровідника Al_xGa_1-xAs істотно менший, ніж бінарного напівпровідника GaAs.