Инжекционные пп лазеры

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический

Университет «ЛЭТИ»

Реферат по дисциплине:

«Квантовые оптоэлектронные приборы и устройства»

На тему: «Полупроводниковые инжекционные лазеры.

Устройство, параметры и характеристики лазера на GaAs»

Выполнил студент: Егорова И.В.

Группа №: 3862

Проверил:

Подпись:

Санкт-Петербург

2007

Введение

Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять тип иx электропроводности. Именно эта особенность привела к созданию p-n-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использования процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход позволило создать новые классы приборов – светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти проборы являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, экономичностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией и низкой стоимостью, - светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры – в когерентное излучение оптического диапазона.

Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из ЗП в ВЗ с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых и твердотельных лазеров.

Описание основных физических процессов

В естественных условиях при отсутствии каких-либо внешний воздействий на полупроводник, электронно – дырочные пары в п/п – ке возникают и рекомбинируют в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов. Но в состоянии термодинамического равновесия электроны стремятся занять наинизшие энергетические уровни, поэтому практически все уровни в валентной зоне оказываются занятыми электронами, а в зоне проводимости все уровни остаются свободными. В таком состоянии полупроводник не может проводить эл.ток., такое состояние наблюдается при температурах вблизи абсолютного нуля.

При нормальных температурах небольшая часть электронов валентной зоны за счет теплового движения преодолевает барьер запрещенной зоны и переходит в зону проводимости, создавая при этом в валентной зоне свободные вакансии – дырки. В таком полупроводнике при взаимодействии электронов и света возможны спонтанные и индуцированные квантовые переходы – переходы с одних энергетических уровней на другие c поглощением или испусканием фотонов.

Т.к. количество электронов в валентной зоне значительно больше количества электронов в зоне проводимости, число актов поглощения будет во много раз превышать число актов излучения света, т.е. такой полупроводник в реальных условиях будет только поглощать свет.

Для того чтобы полупроводник был способен усиливать свет, необходимо создать такие условия, чтобы на более высоком энергетическом уровне ( в зоне проводимости) оказалось большее количество электронов, чем в валентной зоне, т.е. создать инверсную населенность. В этом случае число актов излучения будет превышать число актов поглощения и полупроводник будет усиливать свет. Условие инверсной населенности можно создать только если полупроводник является вырожденным, т.е. все уровни в нижней части зоны проводимости заняты электронами (в п/п n – типа) или в верхней части валентной зоны – дырками ( в п/п р – типа). Наивысший уровень энергии Fn, до которого электроны заполняют зону проводимости называется уровнем Ферми для электронов, чем больше электронов попало в ЗП, тем выше расположен уровень Ферми Fn, тем сильнее вырожден п/п. Подобная картина наблюдается в п/п р – типа для дырок, только в этом случае уровень Ферми для дырок Fp располагается в ВЗ и с увеличением числа дырок опускается все ниже и ниже. Уровни Ферми для дырок и электронов называются квазиуровнями Ферми.

Рассмотрим контакт вырожденных полупроводников р и n типа. в р и n областях уровни Ферми находятся в переделах разрешенных зон и при тепловом равновесии эти уровни для электронов и дырок совпадают. В области р-n перехода образуется потенциальный барьер (из-за появления двойного слоя заряженных частиц), не позволяющий переходить основным носителям заряда из зоны в зону. Действительно, на участке p-n – перехода вблизи п/п n – типа имеется значительное количество электронов в ЗП, но отсутствуют дырки в ВЗ, в свою очередь вблизи п/п р-типа имеются не заполненные электронами уровня (дырки) в ВЗ, но отсутствуют электроны в ЗП. Если к p-n – переходу приложить внешнее напряжение U(прямое смещение + на p, а – на n), то потенциальный барьер уменьшится на значение энергии, соответствующее этому напряжению. Будет происходить инжекция неосновных носителей заряда через р-n переход, т.е. потечет ток. При этом электроны диффундируют в область, где есть много дырок, а дырки – в область, где много электронов. Уровень Ферми расщепляется на два квазиуровня для электронов в полупроводники n-типа и для дырок в полупроводнике р-типа. расстояние между уровнями равно падению напряжения, обусловленному протеканием тока через р-n-переход, т.е. тому напряжению которое приложено для компенсации барьера. В результате в области р-n-перехода появляется узкий участок (активная область), где одновременно наблюдается практически полное заселение электронами зоны проводимости и дырками валентной зоны, т. е. выполняются условия необходимые для усиления света, а именно возникает инверсная населенность в этой области. В активной области происходит рекомбинация электронов с дырками, сопровождающаяся излучением квантов света с энергией, близкой к ширине ЗЗ. Инверсная населенность в активной области разрушается за счет спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар, но постоянно пополняется за счет инжекции электронов из полупроводника n-типа и дырок из п/п р-типа, поступающих в р-n-переход под действием внешнего электрического источника накачки (приложенное напряжение). Первичные спонтанные фотоны, возникающие в активной области, будут усиливаться в ней по мере распространения, отражаться от зеркал оптического резонатора (оптический резонатор – это система из 2-ух обращенных к друг другу отражающих поверхностей, в которой могут возобновляться электромагнитные колебания оптического диапазона), функцию которых выполняют две параллельные торцевые поверхности кристалла, сколотые по кристаллографической оси кристалла. После отражения вновь распространяться по активной области до второго зеркала и т.д.Таким образом, оптический резонатор представляет собой цепь положительной обратной связи, которая и обеспечивает генерацию излучения. Боковые грани лазерного кристалла имеют неровности, для того чтобы подавить поперечное нежелательное распространение света. Если коэффициент усиления окажется больше потерь, в кристалле полупроводника будет возникать лазерная генерация. Но лазер не сразу начинает излучать при приложении к нему напряжения от внешнего источника. При малом токе имеет место спонтанное излучение с шириной спектра излучения несколько сот микрометра. По мере нарастания тока накачки в области p-n-перехода создается высокая степень инверсии населенности и излучается больше света. Отдельные фотоны многократно проходят строго в плоскости p-n-перехода и перпендикулярно торцам кристалла и усиливаются. С возрастанием тока накачки испускаемое излучение существенно сужается одновременно по ширине спектра и по пространственной расходимости. Когда возникает индуцированное излучение, интенсивность излучения увеличивается за счет образования большого количества электронно-дырочных пар в единицу времени. Спонтанное излучение будет подавляться. Минимальный ток, при котором усиление излучения за счет вынужденных переходов равно его потерям в кристалле п/п, называется пороговым током.

Пороговый ток сильно зависит от температуры и концентрации примесей. Понижение температуры облегчает вырождение п/п – кА и, следовательно, уменьшает пороговый ток. Т.о., при малых токах p-n-переход является источником спонтанного (рекомбинационного) излучения (светодиод), а при токах больших порогового значения – источником когерентного излучения (лазер).

В кремниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных актов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупроводники по существу непригодны для лазеров.

Иначе протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа А3В5 (а также А2В6 и А4В6), где в определенных, технически совершенных условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными; возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны напрямую, не изменяя импульса и направления движения, без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепловых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов оказывается наиболее высокой.

В GaAs p-n- переход обычно создается путем диффузии акцепторных примесей (Zn, Na, Cu) в материал, легированный донорными примесями (Te, Se). Чтобы обеспечить хороший контакт с n- областью, кристалл GaAs припаивается к молибденовой плате, покрытой слоем золота. На поверхность р-области наносят сплав золота с серебром. Излучение выходит из узкой области p-n-перехода перпендикулярно параллельным граням п/п-ка, длина волны λ = 0,82 – 0,9 мкм при температуре Т=4-300К. . Типичные размеры кристалла: a*b*h =250x250x100 мкм³.

Основные параметры: (для GaAs)

1. Спектр частот излучения

2. пороговый ток (5*104 A/см2 при комнатной температуре).

3. выходная мощность излучения (10 В при Т= 10 К в непрерывном режиме)

( Т= 78 К сотни ватт)

4. эффективность работы (КПД может достигать 50-80%)

Первые полупроводниковые инжекционные лазеры с p-n-переходом в соединениях одного типа (гомопереходом) имели невысокие генерационные и эксплуатационные параметры – большой пороговый ток, малый ресурс работы, низкий КПД. Это было связано с большими оптическими потерями и низкой квантовой эффективностью процесса лазерной генерации. Большие оптические потери были вызваны тем, что излучение, возникающее в активной области, распространялось в соседние неактивные области и поглощалось в них. Причиной же низкой квантовой эффективности процесса лазерной генерации в основном являлось то, что значительная часть электронов, попадающих в активную область, за счет высокой скорости проскакивала активную область, не прореагировав с дырками и не участвуя в процессе генерации. Для уменьшения этих токовых и оптических потерь были использованы гетеропереходы.

Обычно инжекционные лазеры работают в импульсном режиме, при этом максимальная мощность в импульсе ограничивается перегревом кристалла. Основным достоинством является возможность модуляции излучения изменением напряжения на р-n- переходе. Помимо этого большим достоинством являются малые габариты компактность, удобство возбуждения ( инжекционный механизм накачки по величинам напряжений и токов совместим ИМС), высокое быстродействие при работе лазера в режиме переключения, относительная простота отвода тепла.

В практическом применении лазеров можно выделить два направления:

1- е: применение, связанное с воздействием лазерного излучения на вещество (лазерная обработка материалов, применение лазеров в медицине и т.д.).

2 – е: применение лазеров для обработки и передачи информации, для осуществления контроля и измерений (оптическая цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие устройства - принтер, в вычислительной технике, в качестве различных устройств).

Несмотря на недостатки инжекционные лазеры из GaAs выпускаются серийно и находят широкое применение в портативной лазерной аппаратуре (связь, светодальномеры, оптоэлктроника и т.п.), где требуется сочетание высокого КПД и малых габаритов.

Инжекционные лазеры находят применение в волоконно-оптических линиях связи, где существенны быстродействие, компактность, экономичность, долговечность. Преимущество для дальней связи (>100 км без ретрансляции) имеют инжекци­онные лазеры на длинах волн λ =1,3 и λ =1,55 мкм, оптималь­ных по прозрачности и пропускной способности волоконно-оптического тракта. Из других областей применения можно назвать лазерные системы памяти (видеодиски), спектроскопию; квантовую электронику (диодная накачка), интегральную оптику.