gurtov

10.5. Полупроводниковые лазеры

Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой ν12, определяемой из соотношения hν12 = E2 – E1. При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hν12. Атом в состоянии E1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние E2. Это и составляет процесс поглощения излучения. Возбужденное состояние является нестабильным, и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией hν12 (спонтанная эмиссия). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т. е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10–9—10–3 с, в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или непрямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией hν12, с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν12 и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).

10.5.1.Зонная диаграмма и конструкция полупроводникового лазера

Принцип действия и конструктивные особенности полупроводниковых лазеров во многом сходны с полупроводниковыми светодиодами.

Инверсная населенность, необходимая для стимулированного когерентного излучения, формируется путем инжекции через прямосмещенный p-n-переход. Резонатор, необходимый для усиления когерентного излучения, формируется путем шлифовки граней кристалла. Для того чтобы переходы с излучением преобладали над переходами с поглощением, необходимо область рекомбинации в полупроводниковом лазере легировать до вырождения. В подобных лазерах p- и n-области выполнены на одном материале. Причем обе области являются вырожденными полупроводниками с концентрацией носителей порядка 1020 ат/см3. При такой концентрации уровень Ферми Fn для p-области попадает в валентную зону, а уровни Ферми Fn для n-области — в зону проводимости (рис. 10.11а). В отсутствие напряжения оба уровня имеют одну и ту же энергию. Когда напряжение будет приложено, то оба уровня расщепляются на величину E = eU. Зонная структура примет вид, изображенный на рис. 10.11б. Из рисунка видно, что в области p-n-перехода, а также на расстоянии порядка диффузионной длины в квазинейтральном объеме возникает инверсная заселенность. В силу того что энергия оптических переходов с излучением меньше, чем энергия переходов с поглощением, вероятность первых переходов выше, чем вторых. Дальнейший процесс рекомбинации вызовет лазерную генерацию.

Конструктивно активный слой из p-n-перехода помещается между двумя металлическими электродами. Типичные размеры активной области не превышают 200–500 мкм, отражающие поверхности создаются путем скалывания выходных граней полупроводникового монокристалла. В таком виде полупроводниковый лазер имеет недостаток, заключающийся в том, что размер лазерного пучка (~5 мкм) значительно превышает активную область в поперечном направлении (d = 1 мкм). В результате чего проникает далеко в p- и n-области, где испытывает сильное поглощение. По этой причине пороговая плотность тока достигает большой величины (~105 А/см для GaAs) и лазер быстро выходит из строя от перегрева. Работоспособен такой лазер только в импульсном режиме, а для непрерывного режима излучения необходимо глубокое охлаждение.

Fn

Eg

∆E

Fp

Рис. 10.11. Принцип действия полупроводникового лазера на основе p-n-перехода:

а) отсутствие смещения; б) при смещении в прямом направлении

При прямом смещении в p+ и n+ происходит инжекция неравновесных носителей, и в этих областях на расстояниях порядка диффузионной длины Lp, Ln будет происходить рекомбинация неравновесных носителей. При малых плотностях тока (низкий уровень инжекции) высока вероятность спонтанного излучения и спектральная линия достаточно широкая. При высоких уровнях тока (высокий уровень инжекции) вероятность стимулированного излучения возрастает по отношению к вероятности как спонтанного излучения, так и поглощения и на спектральной характеристике появляется узкая линия когерентного излучения. Значение тока, при котором появляется линия когерентного излучения, называют пороговым током.

На рис. 10.12 показана базовая структура лазера с p-n-переходом. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри – Перо.

Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока. Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором создаются условия для стимулированного излучения, и p-n-переход испускает монохроматичный луч света, направленный в плоскости p-n-перехода.

10.5. Полупроводниковые лазеры

p-тип

когерентное

излучение

n-тип

контакт

оптически ровные и параллельные грани

Рис. 10.12. Структура полупроводникового лазера на гомопереходе

10.5.2.Лазеры на гетероструктурах

Сцелью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетерос-

труктурах (с одним гетеропереходом — n-GaAs–p-Ge, p-GaAs–n-AlxGa1–xAs; c двумя гетеропереходами — n-AlxGa1–xAs – p-GaAs – p+-AlxGa1–xAs. Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток.

Схематично одна из типичных конструкций такого лазера с двойным гетеропереходом изображена на рис. 10.13. В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока. В области гетероперехода возникает волноводный эффект, и излучение лазера происходит в плоскости, параллельной гетеропереходу.

Активная область представляет собой слой n-GaAs толщиной всего 0,1–0,3 мкм. В такой структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка (~103 А/см2) по сравнению с устройством на гомопереходе. В результате чего лазер получил возможность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит из-за того, что оптические и энергетические характеристики слоев, участвующих в переходах, таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки эффективно удерживаются только в активной области; лазерный пучок сосредоточен также только в активной области, где и происходит его основное усиление и распространение; лазерный пучок не испытывает по этим причинам поглощения в областях, соседних с активной. Длина волны излучения такого лазера (λ = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором оптический волоконный кварц имеет минимум потерь. В настоящее время разработаны и широко внедряются лазеры на материалах GaAs с присадками In, P и др. с λ = 1,3 и 1,6 мкм, также попадающие в окна прозрачности оптического кварца. Уменьшением ширины полоски лазеров с полосковой геометрией удалось довести пороговый ток до 50 мА, КПД до 60% (величина, рекордная для всех видов существующих в настоящее время лазеров).

Дальнейшее развитие лазеров на двойной гетероструктуре лежит в области новых полупроводниковых материалов на основе нитрида галлия с использованием квантовых ям в качестве областей рекомбинации. Генерация лазерного излучения в такого

Рис. 10.13. Зонная диаграмма (а, б, в) и структура (г) полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе:

а) чередование слоев в лазерной двойной n-p-p+-гетерострук- туре; б) зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом

напряжении; в) зонная диаграмма лазерной двойной гетероструктуры в

активном режиме генерации лазерного излучения;

г) приборная реализация лазерного диода Al0,3Ga0,7As (p) –

GaAs (p) и GaAs (n) – Al0,3Ga0,7As (n), активная область — слой из GaAs (n) [2, 54]

Глава 10. Полупроводниковые лазеры

Лазер на гомопереходе интересен в чисто историческом (так были устроены первые полупроводниковые лазеры) и физическом смыслах, а также тем, что позволяет лучше оценить преимущества лазеров на ДГ, которые работают в непрерывном режиме и при комнатной температуре.

Спектр применений лазеров на ДГ интенсивно расширяется. В настоящее время эти лазеры используются в качестве считывающего элемента в компакт-дисковых системах, лазерных указках, источников излучения для волоконно-оптической связи. Лазеры на соединениях AlGaInP излучают в видимой области спектра, что позволяет считывать более плотно записанную информацию. Срок службы лазеров на двойных гетероструктурах достигает 5·105 часов.

Контрольные вопросы

10.1.Каковы критерии выбора полупроводниковых материалов для оптоэлектронных приборов?

10.2.В какой области светодиодов происходит генерация оптического излуче-

ния?

10.3.Назовите три условия, необходимые для генерации когерентного излучения

вполупроводниковых лазерах на основе p-n-перехода.

10.4.Как можно реализовать одностороннюю инжекцию в гомо- и гетеропере-

ходах?

10.5.Как отличается спектр излучения светодиода и полупроводникового лазера?

10.6.В чем преимущество полупроводникового лазера с двойным гетеропереходом перед полупроводниковым лазером с одним гетеропереходом?

Задачи

10.1.Эффективность преобразования внешней (электрической) мощности планарного GaAs-светодиода h равна 1,5% при прямом токе I = 50 мА и разности

потенциалов U = 2 В. Оценить генерируемую прибором оптическую мощность Pi, если коэффициент отражения R на границе GaAs – воздух равен R = 0,8. Коэффициент преломления GaAs n = 3,6.

10.2.Оценить эффективность преобразования внешней мощности планарного

GaAs-светодиода η, когда внутренняя оптическая мощность Pi составляет 30 % от приложенной электрической мощности. Коэффициент преломления GaAs n = 3,6.

10.3.Рекомбинационное время жизни неосновных носителей заряда фотодиода

τ= 5 нс. При протекании постоянного тока оптическая выходная мощность равна

Pdc = 300 мкВт. Определить выходную мощность Pf, когда сигнал через диод модулирован на частоте 20 МГц и 100 МГц.

10.4.Ширина запрещенной зоны слаболегированного GaAs при комнатной температуре 1,43 эВ. Когда материал сильно легирован (до вырождения), появляются «хвосты состояний», которые эффективно уменьшают ширину запрещенной зоны на 8%. Определить разницу в излучаемой длине волны света в случае слабого и сильного легирования.

ГЛАВА 11

ФОТОПРИЕМНИКИ

11.1. Статистические параметры фотодетекторов

Фотодетекторы — полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

Термину фотодетектор соответствует как эквивалентный термин фотоприемник, так и термин приемник оптического излучения.

Поскольку основная задача фотоприемников — регистрация, то существует набор статических характеристик, которыми описываются качества фотоприемника. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника — напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность, показывающая, насколько изменится напряжение U на выходе фотоприемника при единичном изменении мощности P падающего

лучистого потока:

Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность — величина, характеризующая изменение тока I, регистрируемого в цепи фотоприемника при единичном изменении мощности P падающего оптического излучения:

На фотоприемнике всегда есть хаотический сигнал, связанный с флуктуациями микропараметров приемника. Этот сигнал характеризуется средним квадратичным значением шумового напряжения:

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность — это минимальная энергия оптического излучения Pm, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

m = U = Pm SV ;

Рис. 11.3. Спектр пропускания оптического волокна на основе кварца [8]

11.3. Фоторезисторы

При генерации в однородном полупроводнике, например n-типа проводимости, элек- тронно-дырочных пар при его освещении в полосе собственного поглощения происходит изменение концентрации основных nno и неосновных pno носителей. В том случае, если изменение концентрации основных носителей nno сопоставимо с их начальной концентрацией nno, то суммарная концентрация основных носителей nn = nno + nno возрастает, а следовательно возрастает и величина удельной проводимости. В том случае, если увеличение концентрации основных носителей существенно больше,