Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие

Рис. 9 Энергетические уровни неодима Nd3+ в ИАГ-лазере

31

1.6. Полупроводниковый лазер

Рассмотрим базовую конструкцию полупроводникового лазера с излучающей p-n-структурой (рис.10).

Рис. 10 Конструкция полупроводникового лазера

Такой двухэлектродный прибор с p-n-переходом в полупроводни- ковом кристалле имеет следующие компоненты необходимые для лазе- ра любого типа: активную среду, оптический резонатор, канал вывода оптического излучения. Активная среда размещена в весьма тонком прямоугольном параллелепипеде, расположенном между р- и n-слоями полупроводниковой структуры; толщина d активной области ~ 1 мкм. Полированные или сколотые торцы кристалла (шириной w), сделанные оптически плоскими и строго параллельными, в такой конструкции действуют как оптический резонатор (аналог резонатора Фабри - Перо). Коэффициент отражения оптического излучения на полированных плоскостях кристалла достигает 20-40%, что обеспечивает необходи- мую положительную обратную связь без дополнительных технических средств (специальных зеркал или отражателей). Вместе с тем боковые грани кристалла обработаны грубо (имеют шероховатую поверхность), что резко уменьшает отражение оптического излучения от этих граней

[21].

Накачка активной среды (создание инверсии населенностей) в ла- зерном диоде (рис.10) обеспечивается внешним электрическим смеще-

32

нием р-n-перехода в прямом направлении. При этом через р-n-переход протекает значительный ток IЛД и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и ды- рок излучаются кванты света (фотоны).

Лазер излучает, если усиление фотонов в активной среде превы- шает потери оптического излучения, связанные с частичным выводом, рассеянием и поглощением фотонов. Коэффициент усиления фотонов в активной среде полупроводникового лазера оказывается значительным только при интенсивной инжекции заряда. Для этого необходимо обес- печить достаточно большой электрический ток IЛД, превышающий оп- ределенное (пороговое) значение [22].

1.6.1 Группы и состав, физические особенности материалов,

используемых для полупроводниковых лазеров

При рекомбинации свободных электронов и дырок в полупровод- никах освобождается энергия, которая может сообщаться кристалличе- ской решетке (переходить в тепло) или излучаться в виде квантов света (фотонов). Для полупроводниковых лазеров принципиально важным является испускание фотонов (излучательная рекомбинация). В крем- ниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных ак- тов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупро- водники, по существу, непригодны для лазеров.

По-другому протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа A3B5 (а также A2B6 и A4B6), где в оп- ределенных (технически совершенных) условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными: возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепло- вых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов ока- зывается наиболее высокой.

Среди бинарных соединений типа A3B5 в качестве лазерных мате- риалов доминируют кристаллы арсенида галлия GaAs. Расширение фи- зических и технических возможностей полупроводниковых лазеров обеспечивают твердые растворы арсенида галлия, в которых атомы до- полнительных элементов (алюминия Al, индия In, фосфора Р, сурьмы Sb) находятся в кристаллической решетке базовой структуры. Распро- странение получили тройные (арсенид галлия – алюминия Ga1-xAlxAs, арсенид индия – галлия InxGa1-xAs, арсенид – фосфид галлия GaAs1-xPx,

33

арсенид – антимонид галлия GaAsxSb1-x) и четверные соединения (GaxIn1-xAsyP1-y, AlxGa1-xAsySb1-y). Содержание (х или у) конкретного элемента в твердом растворе задано в пределах 0 < х < 1, 0 < у < 1.

Эффективно излучающими прямозонными полупроводниками яв-

ляются двойные соединения A3B5 (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), группа (PbS, PbSe, PbTe) и твердые рас- творы (Zn1-xCdxS, CdS1-xSex, PbS1-xSex, PbxSh1-xTe).

1.6.2 Связь компонентов лазерного материала и длины волны

оптического излучения полупроводникового лазера

Длина волны лазерного излучения связана с шириной запрещен- ной зоны, которая, в свою очередь, определяется конкретным полупро- водниковым соединением. Варьируя состав лазерного материала, мож- но изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, длину волны лазерного излучения.

Например, полупроводниковый лазер, изготовленный из арсенида индия - галлия InxGa1-xAs, в зависимости от доли х индия In, может иметь рабочую длину волны в диапазоне 0,84-3,1 мкм, причем при из- менении х длина волны лазерного излучения изменяется непрерывно (плавно) (табл.3). Естественно, что каждому конкретному составу по- лупроводникового материала (твердого раствора с фиксированным х) соответствует строго определенная частота лазерного излучения.

В полупроводниковом лазере применяют различные методы на- качки: 1) инжекция носителей тока через p-n – переход (И); 2) накачка пучком быстрых электронов (Э); 3) оптическая накачка (О); 4) накачка путем пробоя в электрическом поле (П).

34

Таблица 3 Связь спектральных характеристик (длины волны) лазерного из-

лучения с составом лазерного полупроводникового материала

Согласно таблице многообразие лазерных полупроводниковых материалов позволяет перекрыть (обеспечить) весьма широкий спек- тральный диапазон (от 0,32 до 32 мкм).

1.6.3 Принципы формирования и физические особенности по-

лупроводниковых гетероструктур

Для полупроводниковых лазеров (лазерных диодов) базовой явля- ется структура с р-n-переходом. Такой переход возникает в гомогенном (однородном) полупроводнике, легированном различными (р- и n-) примесями. Р-n-переход формируется, например, в кристалле арсенида галлия (рис. 11а) на границе р-области и n-области. Потенциальный барьер в такой гомогенной структуре всецело связан с концентрацией вносимых примесей (степенью легирования эмиттера и базы). Оптиче- ские свойства р- и n-областей, выполненных из однородного материала, одинаковы.

35

Рис. 11 Гомо- и гетероструктуры полупроводниковых лазеров

Новые физические и технические возможности реализуются в по- лупроводниковых гетероструктурах, которые формируются из различ- ных по химическому составу полупроводников. На границе таких по- лупроводников возникает потенциальный барьер, что приводит к одно- сторонней инжекции носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом легирование примесями р- и n-типа не яв- ляется обязательным, а рассматривается как дополнительная возмож- ность изменять свойства гетероструктуры [23].

Гетероструктуры успешно формируются в полупроводниковых соединениях типа A3B5 и в их твердых растворах на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов галлия и алюминия. Пример гетерострукту- ры, состоящей из арсенида галлия n-типа и твердого раствора арсенида алюминия - галлия р-типа, показан на рис. 11б. Важно, что оптические свойства эмиттера и базы такой гетероструктуры различаются, причем спектральные характеристики эмиттера (р-области) можно изменять в широких пределах (варьируя долю х алюминия) независимо от оптиче- ских свойств базы (n-области).

Распространение получили двойные полупроводниковые гетеро- структуры, содержащие несколько гетеропереходов. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 11в, где в зависимости от базовых (различных по составу) материалов и характера их легирования удается создать анизотипные (р-n) и изотипные (р-р и n-n) гетеропереходы.

36

1.6.4 Механизм создания инверсии населенностей в полупро-

водниковых лазерах

В полупроводниковых лазерных структурах путем интенсивного легирования исходного материала обеспечивается весьма высокая кон- центрация примесей. Такие полупроводники оказываются вырожден- ными. Энергетическая диаграмма вырожденной полупроводниковой структуры с р-n-переходом при отсутствии внешнего электрического напряжения представлена на рис. 12а.

Энергетический уровень Ферми E f в вырожденной структуре на-

ходится в зоне проводимости электронного материала n-типа. Таким образом, на «дне» зоны проводимости сконцентрирована высокая плот- ность энергетических уровней, заполненных электронами. Вместе с тем

уровень Ферми E f проходит через валентную зону дырочного мате-

риала р-типа, и в верхней части (на «потолке») валентной зоны концен- трация свободных энергетических уровней оказывается высокой.

Если внешнее электрическое напряжение сдвигает p-n-переход в прямом направлении, то заполненные энергетические уровни на «дне» зоны проводимости n-области оказываются заметно выше (по энерге- тической шкале), чем свободные энергетические уровни на «потолке» валентной зоны р-области (рис. 12б), что и обеспечивает в определен- ном временном интервале необходимую инверсию населенностей. Да- лее в процессе излучательной рекомбинации возбужденные электроны из n-области переходят на нижние энергетические уровни р-области, генерируя фотоны.

37

ку именно эти возбужденные носители заряда создают активную об- ласть полупроводникового лазера.

Рис. 13 Формирование активной области в полупроводниковом ла- зере с гомоструктурой

Таким образом, активная область лазера формируется в узкой об- ласти р-n-перехода. Эта область содержит электроны и дырки и, по су- ществу, является дважды вырожденной. Формирование границ актив- ной области толщиной d поясняется рис. 13. Основной размер dn опре- деляется длиной диффузии дырок, инжектируемых в вырожденную n- область (то есть средним расстоянием, которое свободная дырка про- ходит в n-области до рекомбинации). Меньшая часть (dp) толщины d определяется длиной диффузии электронов в вырожденной р-области. В рассматриваемой р-n-структуре dp << dn. Следовательно, расстояние

d p = Dτ pr

где D – коэффициент диффузии дырок; τ p – время рекомбинации (или время жизни) дырок. Для арсенида галлия D = 10 см2/с, а τ p ~ 1 нс; поэтому толщина активной зоны арсенид-галлиевого лазера d ≈ d p ~ 1 мкм.

Очевидно, что активная область в гомогенном полупроводнике с р-n-переходом имеет неопределенные и нестабильные границы. Кон- центрация инжектированных электронов и дырок спадает плавно, по-

39

этому границы активной области (по существенному спаду концентра- ции инжектированного заряда) оказываются нечеткими. К тому же с увеличением уровня инжекции (тока накачки) границы активной об- ласти полупроводникового лазера с р-n-переходом расширяются.

Рассмотрим вариант конструкции и технологические особенности лазера, созданного на основе гомогенного полупроводника с р-n- переходом (рис. 14). Важные элементы конструкции: полированные или сколотые торцы 1, электрические контакты 2 для тока, возбуж- дающего лазер. В данном устройстве лазер выполнен на кристалле ар- сенида галлия с длиной волны излучения, близкой к 0,84 мкм. Вырож- дение слоя 3 полупроводника n-типа достигается введением донорной примеси теллура Те концентрацией ~1018cм-1. Вырожденный слой 4 р- типа создается диффузией примеси цинка Zn с поверхностной концен- трацией ~1020см-3. Лазерное излучение 5 возникает и формируется в узкой активной области 6 между слоями 3 и 4.

Рис. 14 Конструкция полупроводникового лазера с гомоструктурой. 1-полированные торцы, 2- Электрические контакты, 3- вырожден- ный слой n-типа, 4- вырожденный слой р-типа, 5- излучение, 6- ак- тивная область

1.6.6 Механизм и технические варианты «электронного» огра-

ничения активной области полупроводникового лазера

Такое ограничение обеспечивается в полупроводниковых лазерах с односторонней и двусторонней (двойной) гетероструктурой (ОГС и

40