ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-5

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 5 : Полупроводниковые (диодные) лазеры

Принцип работы полупроводниковых лазеров (1)

Под руководством российского ученого Жореса Ивановича Алферова удалось создать эффективно работающие гетероструктуры полупроводников GaAs и GaAlAs. Эти же задачи параллельно решал американец немецко го происхождения Герберт Крёмер. С начала 70-х годов разверНулась гонка ЛФТИ с американ-

скими фирмами Bell Telephone, IBM и RCA в разработке промышленной технологии получения полупроводников на гетероструктурах. Нашим ученым удалось всего на месяц опередить конкурентов. В 2000 году Алфёрову и Крёмеру была присуждена Нобелевская премия.

Полупроводниковые лазеры (1)

Полупроводниковые лазеры

Принцип работы

Активной средой диодного лазера является полупроводниковый материал. Рисунок иллюстрирует принцип работы полупроводникового лазера. На рис. (a) изображено распределение энергетических уровней в месте контакта полупроводников p и n типа (p – от positive, т.е. избыток «дырок» в валентной зоне, n – от negative, т.е. избыток электронов в зоне проводимости ) при тепловом

равновесии и отсутствии напряжения прямого смещения (уровни Ферми равны EFN - EFP = 0). В этом случае существует динамическое равновесие между зоной проводимости и валентной зоной.

Если к этой паре полупроводников приложить внешнее напряжение (VF) так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда (рис. 5.1 (b)), Если к этой паре полупроводников приложить внешнее напряжение (VF) так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда (рис. 5.1 (b)),

Принцип работы диодного лазера:

(а) нулевое напряжение прямого смещения (б) напряжение прямого смещения > EG.

Если к этой паре полупроводников приложить

внешнее напряжение (VF) так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда (рис. (b), то динамическое равновесие нарушается и быстро нарастает с повышением напряжения.

Полупроводниковые лазеры (2)

Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением. Тогда уровни Ферми на n-стороне (EFN) и p-стороне (EFP) оказываются разделены расстоянием

EFN - EFP = е × VF ,

где: е - заряд электрона, VF - напряжение прямого смещения.

Ситуация, когда у n-полупроводника электронов в зоне проводимости вблизи ЕС больше,

чем в валентной зоне вблизи EV у p- полупроводника характеризует инверсию

населенностей ближайших ЕN и EP энергетических уровней. Область инверсии вдоль контакта полупроводников называется инверсионным слоем или активной областью. Благодаря наличию электронов и дырок в активной области, существует вероятность их рекомбинации, что приводит к процессам спонтанного и вынужденного излучения фотонов. Энергия излучаемого фотона равна разности энергетических уровней электронов

и дырок, участвующих в рекомбинации. EFN - EFP ≥ hν ≥ EG где: С – зона проводимости, V – валентная зона, ЕG – ширина запрещенной зоны, ЕF – уровень Ферми.

Тогда критическое соотношение между усилением и поглощением будет EFN(N)–

EFN(N) = EG, где N – концентрация электронов. Такое значение N, удовлетворяющее этому соотношению называется концентрацией прозрачности носителей Ntr, а пороговое значение Nth - условие лазерной генерации, должно превышать Ntr на величину потерь в лазере. Ширина запрещенной зоны ЕG - важная характеристика полупроводника, определяющее его электропроводность и оптическую прозрачность

Полупроводниковые лазеры (3)

Если ток инжекции превышает определенную минимальную значение, называемое порогом генерации, число электронов и дырок, способных рекомбинировать становится достаточно большим, так что спонтанно излученный фотон с энергией, равной энергии рекомбинации может стимулировать рекомбинацию новой пары электрон-дырка. В этом процессе вынужденного излучения испускается фотон той же частоты, фазы и поляризации, что и стимулирующий фотон. Соответствующий оптический резонатор, установленный в окрестности области рекомбинации (также называемый областью усиления) усиливает и упорядочивает процесс вынужденного излучения. Для диодного лазера, резонатор ФабриПерро образуется идеально отполированными параллельными гранями кристалла полупроводника. Так как полупроводники имеют высокий показатель преломления, гладкие поверхности сколотых торцов отражают около 30% света обратно в отличающуюся высоким коэффициентом усиления активную среду полупроводникового лазера для достижения устойчивой генерации. Вынужденное излучение приводит к усилению света, во время пролета фотонов между двумя торцами кристалла, образующими резонатор. Когда усиление света в резонаторе превышают потери из-за поглощения и рассеяния в среде и на торцах, возникают условия для устойчивой генерации.

Светодиоды (LED) работают так же, с основным отличием в величине тока прямого смещения. В то время как светодиоды начинает излучать свет уже при токе порядка нескольких миллиампер, в диодных лазерах мощностью в несколько милливатт ток инжекции составляет порядка 80-100 мА. При низких уровнях тока инжекции, основной вклад в световой поток определяется спонтанным излучением.

Когда ток инжекции становится больше, чем порог генерации,

Полупроводниковые лазеры (4)

Рис. Вольт-амперные характеристики (a) светодиода (LED) и (b) диодного лазера.

На Рис. показана вольт-амперная характеристика типичного светодиода (слева) и полупроводникового лазера (справа). Видно, что светодиод загорается при напряжении прямого смещения, большего или равного напряжению включения и ток, протекающий через устройство в это время практически равна нулю. В случае лазерный диода, хотя напряжение включено и небольшой тока действительно начинает течь, лазерное излучение начинается только после того, как напряжение прямого смещения превышает порог генерации.

Это явление можно объяснить с помощью графика зависимости выходной оптической мощности от величины тока инжекции, как показано на рисунке (б). Из графика следует, что стимулированное излучение становится преобладающим, что приводит к устойчивой генерации лазерного излучения только после того как величина тока инжекции превышает уровень текущее порог генерации. При токах меньших порогового значения, преобладает спонтанное излучение, характерное для светодиодов (LED).

Полупроводниковые лазеры (5)

Материалы полупроводниковых лазеров

Различают два вида полупроводниковых материалов прямозонные и непрямозонные. В прямозонных полупроводниках при излучательной рекомбинации электрона и дырки вся энергия перехода запрещѐнной зоны напрямую преобразуется в энергию фотона. Типичными полупроводниками с прямозонной энергетической структурой являются арсенид галлия (GaAs), фосфат галлия (GaP), нитрид галлия (GaN) и галлия алюминия арсенид (InGaAsP). Прямозонные материалы с энергиями соответствующими ближней инфракрасной, видимой или ближней ультрафиолетовой области, наиболее часто используются для светодиодов и лазеров. Непрямозонные полупроводники при рекомбинации основных носителей заряда - электронов и дырок не излучают фотонов. В них может происходить безизлучательная рекомбинация (аннигиляция электрона и дырки) без излучения кванта света, когда энергия рассеивается внутри кристалла с выделением тепла (колебания кристаллической решетки). Если для диодных лазеров пригодны только прямозонные полупроводниковые материалы, в то для светодиодов могут быть использованы некоторые сложные полупроводники с непрямой запрещенной зоной.

При изготовления лазерных диодов используются, как правило, используются сложные комбинации полупроводников. Наиболее важные из них те, которые содержат элементы расположенные в группах III-A (галлия, алюминия и индия) и V-А (мышьяк, сурьма, фосфор и азот) Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Соединения с тремя элементами называют тройными соединений и соединений с четырьмя элементами называются четверными соединениями. Обобщенная формула для наиболее часто используемые тройные соединения является (Gа1-х Alx Аs), где 0 <х <1.

Другие важные тройные соединения для полупроводниковых лазернов включают индия галлия нитрид (InGaN), арсенида индия галлия (InGaAs) и антимонид галлия арсенида (​​GaSbAs). Есть два типа обычно используемых четвертичных соединений с обобщенных формул (In1-х Gax As1-у Py) и (In1-х-у Gax

AlyP) где 0 <х, у <1.

Из обобщенных выражений двух типов сложных полупроводников, очевидно, что элементы из групп III- A и V-A Периодической таблицы Д.И. Менделеева присутствуют в равных количествах. В первом случае, количество галлия и алюминия (группа III-А) вместе то же самое, что и мышьяка (группа V-А). Аналогичным образом, в случае одного типа четвертичных соединений, количество индия и галлий (группа III-A) вместе является таким же, как общего количества мышьяка и фосфора (группа V-А).

Полупроводниковые лазеры (6)

Типы полупроводниковых лазеров

В зависимости от структуры различных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления диодных лазеров, они могут быть классифицированы как:

1.Лазеры на гомо- и гетеро-переходах

2.Диодные лазеры на квантовых ямах.

3.Лазеры с распределенной обратной связью (DFB)

4.Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL)

5.Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным внешним резонатором (VECSEL)

6.Диодные лазеры с внешним резонатором.

7.Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой

8.Квантово-каскадные лазеры

9.Полупроводниковые лазеры на свинцовых солях.

Лазеры на гомо- и гетеро-переходах

Границы между активным слоем и соседними слоями имеют важное значение для некоторых из жизненно важных лазерных характеристик, в частности для эффективности лазера. В лазерах на гомопереходах, все слои состят из одинакового полупроводникового материала. Одним из таких примеров является GaAs/GaAs лазер. Однако лазерного диода с такой простой структурой будет крайне неэффективным и может быть использован только для демонстрации работы в импульсном режиме. В лазерах на гетеропереходах, активный слой и один или оба соседних слоя состоят из различных материалов. Если только один из смежных слоев сделан из другого материала, это называется простым гетеропереходом; если оба слоя разные, говорят о двойным гетеропереходе. Некоторые из основных типов полупроводниковых лазеров и соответствующие диапазоны длин волн приведены в таблице .

Полупроводниковые лазеры (7)

Вдиодных лазеров на гетеропереходах, слой материала с малой шириной запрещенной зоны зажат между слоями материала с большей шириной запрещенной зоны (Рис.) Одной из таких часто применяемых комбинаций является пара из арсенида галлия (GaAs) и алюминия галлия арсенид

(AlxGa1-XAS). В таких структурах, активная область (где свободные электроны и дырки существуют одновременно) сосредоточена в тонком среднем слое.

Врезультате, гораздо большее (чем в случае гомопереходного лазера) число электронно-дырочных пар будет участвовать в процессе усиления света. Свет также отражается от поверхности гетероперехода, что еще больше помогает повышению концентрации фотонов в активной области.

Эти факторы способствуют высокой эффективности диодных лазеров на гетеропереходах. 5.4.2

Диодные лазеры на квантовых ямах

Материал полупроводниковых слоев, толщиной в несколько нанометров, уже нельзя рассматривать как твердое тело с непрерывными по объему свойствами (континуум), важнейшее значение приобретают квантово-механические свойства атомов и электронов. Такой слой начнѐт работать как квантовая яма - тонкий слой полупроводникового материала с относительно меньшей шириной запрещенной зоны, в сравнении с более толстыми слоями, поэтому электроны, проходящие через полупроводник концентрируются в этом тонком слое. Хотя эти электроны обладают достаточной энергией, чтобы свободно через небольшую запрещенную зону квантового слоя, ее недостаточно, чтобы позволить им преодолеть широкие запрещенные зоны более толстых слоев. Более толстые слои, таким образом, способствуют удержанию электронов в квантовой яме.

Поскольку излучение фотонов в диодном лазере происходит за счет рекомбинации электронов с дырками, более высокая концентрация электронов в квантовой яме приводит к увеличению эффективности и снижению порога генерации. Тот факт, что квантовый слой и внешние толстые слои выполнены из полупроводниковых материалов различными показателями преломления помогает ограничить зону излучения в этой узкой области.

Полупроводниковые лазеры (8)

Рисунок (a) показывает структуру полупроводникового лазера на простой квантовой яме. Один из недостатков простой квантовой ямы - слишком тонкий слой, чтобы эффективно удерживать в нем свет. Модификация этой базовой структуры лазера на квантовой яме показано на рисунке (b).

Рис. Диодные лазеры на квантовых ямах: (a) с простой квантовой ямой; (b) структура с раздельным удержанием.

Чтобы преодолеть еѐ, с двух сторон кристалла добавляют ещѐ два слоя. При этом дополнительные слои добавляются за пределами трех существующих слоев. Дополнительные слои, изготовленные из материала А на рисунке (b) имеют показатель преломления, который меньше показателей преломления центральных слоев, выполненных из материалов B и C. Такое расположение удается в ограничении свет с большей эффективностью, чем это возможно с простой квантовой ямой. Полупроводниковые диодные лазеры, имеющие такую модифицированную структуру называют гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure» - SCH) или с двойной гетероструктурой (ДГС). Большинство современных диодных лазеры изготавливаются по технологии ДГС (SCH). Лазеры с более чем одной квантовой ямой также называются лазерами на квантовых точках. Такие структуры с несколькими квантовыми ямами могут генерировать относительно более высокие выходные мощности. Развитие этого направления привело к появлению новых структур, называемых квантовыми точками и квантовыми нитями.