Скачиваний:
91
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
285.23 Кб
Скачать

ДГС лазер

ДГС лазер – лазер на двойной гетероструктуре, представляет собой слой объемного узкозонного материала, ограниченного оптически более плотными и более широкозонными слоями (эмиттерами), инжектирующими носители заряда в активный слой.

Для большинства пар полупроводниковых соединений увеличение ширины запрещенной зоны приводит к уменьшению оптической плотности (уменьшению показателя преломления).

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 1

 

 

 

AlGaAs

 

 

3.6

 

 

2300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2200

 

 

 

 

3.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2100

 

 

 

 

3.4

 

 

 

 

 

 

 

 

meV

2000

 

 

 

 

3.3

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

Refractiveindex

G

1900

 

 

 

 

3.2

Bandgap E

EG

n(x)=(12.36031-3.64226x)^0.5

 

 

1800

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1

 

 

 

 

 

1700

 

 

 

 

3.0

 

 

 

 

 

 

 

 

1600

 

 

 

 

2.9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.8

 

 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

 

AlAs mole fraction

Зависимость показателя преломления (для λ=980 нм) и ширины запрещенной зоны (при 4К) AlGaAs от содержания Al

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 2

Области локализации носителей заряда (инверсной заселенности) и световой волны (оптической моды) в ДГС-лазере совпадают, т.е. активный материал является одновременно волноводом.

ДГС лазер представляет собой PIN-диод с двумя гетеропереходами на интерейсах p-эмиттер / i-активная область и n-эмиттер / i-активная область.

При равновесии (напряжение не приложено) уровень Ферми в эмиттерах закреплен вблизи края зоны проводимости (n-эмиттер) и валентной зоны (p-эмиттер). Встроенный потенциал, приблизительно равный ширине запрещенной зоны эмиттерных слоев, приводит к сильному “изгибу зон” в активной области, которая почти свободна от носителей заряда.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 3

 

-2,0

 

 

 

 

 

 

1E19

 

 

 

 

 

-2,5

electrones

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3,0

 

 

 

holes

1E18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия, эВ

-3,5

 

 

 

 

 

 

 

Концентрация, см

 

 

 

-4,0

 

 

 

 

 

 

1E17

 

 

 

-4,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-5,0

 

 

 

 

 

 

1E16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-5,5 n-Al0.3Ga0.7As

GaAs

p-Al0.3Ga0.7As

 

 

 

 

 

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

 

 

 

 

 

 

 

 

Расстояние, мкм

 

 

 

 

 

Зонная

диаграмма

и

концентрации

носителей

для

ДГС-лазера

Al0.3Ga0.7As/GaAs (d=0.2 мкм) при равновесии (∆F=0)

 

 

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 4

Положительное смещение (+ прикладывается к p-легированному слою) частично компенсирует встроенный потенциал и выпрямляет зоны в активной области, куда инжектируются электроны и дырки. В свою очередь, это приводит к возрастанию концентрации носителей заряда и тока, обусловленного рекомбинацией носителей.

Однако, ток мал, т.к. электроны и дырки преимущественно локализованы у разных интерфейсов.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 5

 

-2,0

 

 

 

 

 

1E19

 

 

-2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

electrones

 

 

 

holes

 

 

 

-3,0

 

 

 

 

1E18

 

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия, эВ

-3,5

 

 

 

 

 

 

Концентрация, см

-4,0

 

 

 

 

 

1E17

-4,5

 

 

 

 

 

 

-5,0

 

 

 

 

 

1E16

 

 

 

 

 

 

 

 

-5,5 n-Al0.3Ga0.7As

GaAs

p-Al0.3Ga0.7As

 

 

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

 

 

 

 

Расстояние, мкм

 

 

 

ДГС-лазер при положительном смещении ниже инверсии (∆F=1.1 эВ <

EGGaAs)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 6

Если положительное смещение достаточно для удовлетворения требования ∆F= EG материала активной области, в волноводе достигается условие плоских зон (за исключением малых областей вблизи интерфейсов), т.е. встроенный потенциал в волноводе компенсирован.

Таким образом, носители обеих типов заполняют волновод и сосуществуют в пределах одной области. Это приводит к сильному рекомбинационному току. Поэтому напряжение открытия PIN диода приближенно равно ширине запрещенной зоны активной области.

Концентрации электронов и дырок распределены почти равномерно в пределах активной области.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 7

 

-2,0

 

 

 

 

 

1E19

 

 

-2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

electrones

 

 

 

holes

 

 

 

-3,0

 

 

 

 

1E18

 

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия, эВ

-3,5

 

 

 

 

 

 

Концентрация, см

-4,0

 

 

 

 

 

1E17

 

 

 

 

 

 

 

 

-4,5

 

 

 

 

 

 

 

 

-5,0

 

 

 

 

 

1E16

 

 

-5,5 n-Al0.3Ga0.7As

GaAs

p-Al0.3Ga0.7As

 

 

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

 

 

 

 

Расстояние, мкм

 

 

 

ДГС-лазер при достижении инверсии (∆F=1.42 эВ = EGGaAs)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 8

При дальнейшем возрастании положительного смещения приводит к большему разделению квази-уровней Ферми для электронов и дырок в активной области (∆F > EG), приводя к дальнейшему росту концентрации носителей обеих типов.

По-прежнему, электроны и дырки распределены почти равномерно. При некотором напряжении смещения, которому соответствует некоторый ток рекомбинации, концентрации носителей могут оказаться

достаточными для выполнения условия порога генерации.

Однако, выше условия плоских зон приложенное напряжение смещения перераспределяется между приложенным непосредственно к p-n переходу и падающим на омических частях лазерной структуры.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 9

 

-2,0

 

 

 

 

 

 

1E19

 

 

-2,5

electrones

 

 

 

 

 

 

 

-3,0

 

 

 

holes

1E18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия, эВ

-3,5

 

 

 

 

 

 

 

Концентрация, см

-4,0

 

 

 

 

 

 

1E17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-4,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-5,0

n-Al0.3Ga0.7As

GaAs

 

p-Al0.3Ga0.7As 1E16

 

 

-5,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

 

 

 

 

 

Расстояние, мкм

 

 

ДГС-лазер при превышении порога инверсии (∆F=1.45 эВ > EGGaAs)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 5, стр. 10