Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

тическая диаграмма для двойной гетероструктуры (ДГС) типа

n-AlxGa1 _ xAs/p-GaAs/p-A1xGa1 _ xAs может быть получена зер­

кальным отражением рисунка 21.6, б относительно вертикаль­

ной линии. Сравнительные характеристики, иллюстрирующие процессы получения инверсной населенности, распределения

носителей п и р вдоль структур, изменение коэффициента пре­

ломления п и интенсивности света Ф(1) в области переходов и со­

седних областях приведены на рис. 21. 7.

Из-за различия диэлектрических проницаемостей активного

слоя и окружающих его слоев возникает скачок диэлектриче­

ской проницаемости, что приводит к образованию волновода (световода). В ДГС диэлектрический волновод является симмет­ ричным, т. е. локализованные волны существуют при любой сколь угодно малой толщине. При малых толщинах.диэлектри­

ческого волновода усиление, развиваемое в активном слdе, ис­

пользуется наиболее эффективно. В ДГС реализуются также

наиболее низкие значения пороговой плотности тока при ком­ натной температуре, что связано с отсутствием межзонного по­ глощения в пассивных областях.

В гомоструктуре лазера ограничивающие (задерживающие)

барьеры крайне малы. Распространение света по обе стороны

активной области происходит достаточно интенсивно, что вы­

зывает значительные потери энергии излучения.

В лазере на ОГС существует потенциальный барьер величи­ ной - 0,4 эВ, ограничивающий движение электронов. Кроме то­

го, коэффициент преломления уменьшается примерно на 5% при прохождении света от p-GaAs кp-AlxGa1 _xAs (рис. 21.8, б).

В результате происходит ограничение распространения света

на этой межфазной границе перехода. Однако на межфазном

п-р-GаАs-переходе наблюдается только незначительное изме­

нение коэффициента преломления и существенное число фотонов

теряется в п-GаАs-области. При большом смещении р-GаАs-об­

ласть становится тонкой, имеет место инжекция дырок в п-GаАs­

область и эффективность работы лазера возрастает.

В рассмотренной ДГС происходит пространственное ограни­

чение распространения как носителей тока, так и фотонов. Сравнительные характеристики лазерных структур на гомопе­

реходах, с одним гетеропереходом и с двумя гетеропереходами

(с указанием характерных размеров) приведены на рис. 21.8,

21.4. Разновидности полупроводниковых лазеров

Полосковые лазеры. Было исследовано большое число конст­

рукций лазеров, выполненных на основе полосковой геометрии.

Одной из наиболее эффективных оказалась мезаполосковая струк­

тура, представленная на рис. 21.11. Приборы этого типа позволя­

ют реализовать одномодовый режим работы при пороговом токе менее 50 мА. Размеры структуры: ширина - 6 мкм, длина -

100 мкм, толщина активной области - 0,5 мкм. Однако пороговая

плотность тока - 6 кА/см2 больше по сравнению с 1 кА/см2 для

структуры с большей шириной.

Гетеролазеры с распределенной обратной связью. Наиболее

эффективным способом формирования требуемой оптической об­

ратной связи является использование обратного рассеяния Брэг­

га при периодическом изменении :коэффициента преломления и

(или) усиления в лазерном волноводе. Такие изменения (возму­

щения) могут быть получены за счет травления периодической

рифленой структуры на границе между активным р-GаАs-слоем

и p-GaAlAs-cлoeм в односторонней гетероструктуре (рис. 21.12).

Решетчатая структура получается за счет интерферометрической экспозиции фоторезиста на поверхности p-GaAs с последующим

полным травлением через полученный фоторезист и наращива­

нием слоя AlGaAs. Период травления А выбирается из условия

ного материала.

p-GaAs L l=======:Щ-ме

п1 p-GaAlAs

___.._,__, Лазерное

n-GaAs

Металл t:::======:s:::!-мe

т =О решение (21.6) будет описывать рассеяние света в пр.ямом направлении, а при т = 2 - в обратном направлении. Как пр.я­ ма.я, так и обратные волны рассеиваются, распространяясь как выше, так и ниже рифленой поверхности. Возможные углы лу­

чей в воздухе после отражений определяются из соотношения

где Ф - угол волнового фронта, измеренный относительно нор­ мали. Поскольку sin Ф < 1 и п = 3,6 для GaAs и AlGaAs, во вне­

шнем пространстве будут видны только лучи внутри конуса с уг­

лом 16°. Оптимальное расположение поверхности рифления при распределенной обратной связи ортогонально переходу и опреде­

ляете.я соотношением

Формула (21.8) определяет брэгговское рассеяние порядка 2р в структуре с распределенной обратной связью. При р = 1 су­

ществует только излучательная мода, нормальна.я к плоскости

рифления. Величина расходимости выходного луча вдоль на­ правления рифления ~ 0,35° и может быть вычислена по фор­ муле Дифференцируя это выражение, получаем

dФ = [(тЛ.0/(пЛ.) - (Л.0 dп/(п d'А.))(ЛЛ.п/Л.0)]/соs Ф.

о

При ЛЛ. = 6 А угол расходимости составляет 0,21°. Расчеты

показывают, что расходимость в ортогональном плоскости

рифления направлении составляет 10°. Это хорошо согласуете.я с измеряемой диаграммой направленности в дальней зоне. Выход­

ное излучение полностью поляризовано (вектор электрического

пол.я волны параллелен плоскости рифления). "Уровень безызлу­

чательной рекомбинации в переходной области достаточно высок

даже при получении рифления травлением. Поэтому часто ис­

пользуют структуру с разделением активной и волноводной об­ ластей (рис. 21.14).

Для уменьшения рабочего

тока в ДГС-лазерах необходи­

мо уменьшать толщину актив­

ной области d (см. рис. 21.8). Однако, если размер актив­ ной области становится мень­ ше длины волны, в ней резко

ри, обусловленные просачиванием света в соседние с активной низкоомные области и ухудшением волноводных свойств актив­

ной среды. Чтобы снизить влияние этих эффектов, необходимо

разделить области электронного и оптического ограничения. На

рис. 21.14 сверхтонкий активный слой p-GaAs толщиной d « Л

размещается внутри более толстых слоев. 1

При подаче прямого напряжения электроны и дырки из ши­

рокозонных п- и р-областей инжектируются в прилегающие к ним области, так же, как это происходит в обычной ДГС-струк­ туре. Профили изменения концентрации в р-областях подбира­ ются таким образом, чтобы основная доля инжектированных

носителей, создающих инверсию населенностей, была сосредо­

точена внутри слоя p-GaAs, а оптический волновод формирует­

ся на границах p-GaAs и p-GaAlAs.

На рис. 21.14 области преимущественного распространения

света обозначены светлыми полосками рядом с p-GaAs.

В современных лазерах с раздельным оптическим и элек­

тронным ограничением активная область, где происходят на­ копление и излучательная рекомбинация неравновесных элект­ ронов и дырок, представляет собой квантовораэмерные структуры

(см. гл. 10), в которых функцИя плотности энергетических со­

стояний имеет ступенчатый вид, что уменьшает тепловое раз­ мытие в распределении носителей по энергии и облегчает дости­ жение инверсной населенности. Максимальный коэффициент усиления возрастает, а температурная зависимость пороговой

плотности ослабевает.

Для формирования квантоворазмерных структур слои долж­ ны быть тонкими, причем каждая из областей п- и р-гетерост­

руктуры на рис. 21.14 является слоистой с различной концент­ рацией и различными соотношениями примесей Al и Ga.

Необходимость изготовления сверхтонких слоев (~ O,Ol ...O,l ... 1,0 мкм) для создания активных структур в лазе­

рах с раздельным ограничением тока накачки и излучаемого

света предъявляет очень высокие требования к технологии из­

готовления и к контрольно-измерительной технике. По сути де­ ла, необходимо контролировать структуры с точностью до одно­ го атомного слоя. Технологии, позволяющие реализовать такие параметры, называются нанотехнологиями (см; гл. 10).

В заключение отметим, что использование квантоворазмер­ ных структур в активной области ДГС-лазеров с раздельным ог­

раничением дает возможность: уменьшить пороговую плотность

тока накачки, ослабить влияние температуры, увеличить коэф­ фициент усиления активной среды на единицу длины, улучшить

спектральны;е характеристики.

1.:Какие преимущества имеют полупроводниковые лазеры по

сравнению с лазерами другого типа?

2.Какие материалы используются в светоизлучающих полу­ проводниковых приборах и каковы характеристики этих

материалов?

З. Почему в полупроводниковых лазерах используются вырож­

денные полупроводники и каков механизм получения инверс­

ной населенности в них?

4. Параметры и характеристики полупроводниковых инжекци­

онных гомолазеров.

6. Энергетические диаграммы, характеристики и параметры

лазеров на ОГС и ДГС.

7. Каковы особенности и характеристики ДГС-лазеров с рас­ пределенной обратной связью?

8. Разновидности полупроводниковых гетеролазеров, их осо­

бенности и параметры.