Інжекційні лазери на гомопереходах |
Напівпровідникові лазери |
|
Якщо до контактів прикладена напруга V, два рівня стають розділеними проміжком ΔΕ = еV, при зсуві в прямому напрямку структура прийме вид, показаний на рис. 3 б (по суті, при зсуві в прямому напрямку відбувається інжекція в шар електронів із зони провідності матеріалу n-типу і дірок з валентної зони матеріалу р- типу). Товщина активної області d приблизно дорівнює середній відстані, яку проходить електрон до рекомбінації з діркою.
p |
n |
p |
n |
Eg |
Fn=F |
Eg |
Fn |
|
|||
|
|
||
Fp=F |
|
|
ΔE |
|
|
|
Fp
Інжекційні лазери на гомопереходах |
Напівпровідникові лазери |
|
Гомолазери мають невисокі експлуатаційні параметри: великий пороговий струм; малий термін служби; низький ККД.
Це пояснюється:
великою ймовірністю безвипромінювальної рекомбінації у вироджених напівпровідниках;
поглинанням генерованого в активній області випромінювання у прилеглих "пасивних" областях.
Напівпровідникові лазери Інжекційні лазери на гетеропереходах на потенційній ямі
У 1963 г. Ж.І. Алферов і Г. Кремер незалежно сформулювали концепцію напівпровідникових лазерів на основі подвійної гетероструктури:
-суперінжекція носіїв;
-оптичне обмеження;
-електронне обмеження.
Це означає, що області рекомбінації випромінювання світла та інверсійної населеності співпадають та зосередженні в серединному шарі. Завдяки потенціальним бар'єрам на границі напівпровідників з різною шириною заборонених зон рекомбінація в емітерах дорівнює 0.
Інверсійна населеність для отримання вимушеного випромінювання може бути досягнута способом подвійної інжекції, і для її отримання немає необхідності у високих рівнях легування середньої області.
Завдяки суттєвій різниці в діелектричних сталих, світло повністю зосереджено в середньому шарі, який виконує роль високоякісного оптичного хвилеводу.
Квантово–механічні положення |
Напівпровідникові лазери |
Рис. Хвильові функції та рівні енергії частинки, що знаходиться у нескінченно глибокій потенційній ямі. Показані три нижчих енергетичних рівня (червоним) і три хвильові функції.
Якщо електрон запирається в атомі, молекулі (потенційній ямі) то його хвильова функція матиме вигляд стоячої хвилі (аналогічно натягнутій струні). Стоячі хвилі описують електронні стани у ямі – синусоїди, що мають в точках х=0 та х=а значення 0:
де n – номер квантового стану; a – розмір ями. Довжина хвиль -- функції описує електронні стани з різними n, що задовольняють умові:
Квантово–механічні положення |
Напівпровідникові лазери |
Згідно постулату Бора, у потенційній ямі дозволені лише ті траєкторії, для яких імпульс частинки pn та ширина ями a пов’язані співвідношенням
Визначивши дозволені значення імпульсів можна знайти енергію
При ширині ями 5 нм маємо Е1= 0,02 еВ. Але маса електрона у кристалі в десять разів менша за масу вільного, що приводить до значення Е1= 0,2 еВ і визначає характерний масштаб електронної енергії у квантових структурах.
Напівпровідникові лазери Інжекційні лазери на гетеропереходах на потенційній ямі
Гетероструктурою називають напівпровідникову структуру з декількома гетеропереходами на основі сполук A і B - A/B, а сполуки A і B називають гетеропарою).
Гетеропереходом називають контакт двох різних по хімічному складу напівпровідників, що розрізняються ширинами заборонених зон, сталими кристалічної решітки та інш. параметрами).
Рис. Енергетичні зони на межі двох напівпровідників – гетероструктурі (електрони з енергією меншою за Ес2 можуть знаходитись тільки праворуч).
Інжекційні лазери на гетеропереходах |
Напівпровідникові лазери |
|
Для усунення недоліків гомопереході та підвищення ефективності їх роботи необхідно обмежити зону поширення генерується світла і інжектіруємих електронів і забезпечити перебіг цих процесів тільки в активній області. Такі обмеження можуть бути отримані на гетеропереходних структурах.
Рис. Спрощена конструкція напівпровідникового лазера на гетеропереході (а); енергетична схема заборонених активної та емітерних зон (б); залежність значень показника заломлення гетероструктури від вертикальної координати.
Інжекційні лазери на гетеропереходах |
Напівпровідникові лазери |
|
Досягається це завдяки трьом факторам:
1)показник заломлення GaAs (n1 ≈ 7, 6) більше, ніж показник заломлення AlxGa1-xAs (n2 ≈ 3, 4), що призводить до утворення оптичної хвилеводної структури;
2)ширина забороненої зони GaAs (~ 1, 5 еВ) менша, ніж ширина забороненої зони AlxGa1-xAs (~ 1, 8 еВ). Тому на обох переходах утворюються енергетичні бар'єри, які ефективно утримують інжектовані електрони і дірки в активному шарі, тобто збільшується концентрація електронів і дірок в активному шарі, а отже збільшується і посиленння.
3)Оскільки Eg2 більше, ніж Eg1, лазерний пучок з частотою ν = Eg1 / h майже не поглинається в GaAs-Al0,3Ga0,7As. Тому крила поперечного
профілю пучка, що заходять у р- і n- області майже не зазнають сильного поглинання.
Інжекційні лазери на гетеропереходах |
Напівпровідникові лазери |
|
Активний шар являє собою тонкий шар GaAs (0, 1-0, 3 мкм). У такій структурі порогову щільність струму при кімнатній температурі можна зменшити на два порядки (~ 103 А/см2). Таким чином стає можливою робота в безперервному режимі при кімнатній температурі.
Смужкові (полоскові) лазери.
Зменшення струмів накачування (робочих струмів) та покращення спектральних характеристик можна досягти за рахунок збільшення концентрації основних носіїв в обмеженій активній області. Це можливо реалізувати, якщо активну область виготовити у вигляді вузької смуги. Така конструкція дозволяє зменшити робочі струми при незмінних порогових струмах, забезпечує селекцію поперечних мод в напрямку, паралельному p-n- переходу, та більш стійку роботу лазера. Завдяки формі активної області такі лазери отримали назву смужкових.