Направлении

Без внешнего напряжения Напряжение приложено в прямом

Рис. 8. Зонная модель инжекционного лазера

Инжекция неравновесных носителей происходит на p® n- переходе, к которому в прямом направлении приложено внешнее напряжение. Активная сторона p® n- перехода должна быть при этом легирована так сильно, чтобы уровень Ферми проходил вблизи соответствующей энергетической зоны. Таким образом достигается условие вырожденности полупроводника. В вырожденной р- области, как показано на рис. 8, акцепторный уровень и уровни под краем валентной зоны не заполнены. После инжекции электронов из п -об-ласти нижние уровни зоны проводимости и донорный уровень оказываются сильно заселёнными. Следовательно, возникает инверсная заселённость, как в четырёхуровневом лазере. Однако не все переходы разрешены, возможны лишь переходы между состояниями с одинаковыми волновыми числами.

При переходах между стабильными донорным и акцепторным уровнями возникают относительно узкие линии излучения. Потери энергии происходят в основном за счёт свободных носителей заряда. В активной области, а также в непосредственной близости от р® п-перехода эти потери легко преобразуются в энергию вынужденного излучения. Для получения инверсной населённости уровней необходимо, чтобы все боковые грани были тщательно отшлифованы и отполированы до придания им строгой параллельности. Кроме того, для возбуждения генерации требуется нанести на эти грани зеркальное покрытие либо использовать специальные отражатели.

Электрод Плоскопараллельные

Поверхности

GaAs p-типа

Переходная зона

GaAs n-типа

Электрод

Рис. 9. Диод на основе арсенида галлия в качестве инжекционного лазера

Значительное рекомбинационное излучение в результате инжекции неравновесных носителей наблюдалось в GaAs. Особенно сильный лазерный эффект возникает в диодах на основе арсенида галлия GaAs (рис. 9). Вырожденный переход создаётся, например, диффузией цинка в GaAs, легированный теллуром. В р -области, легированной преимущественно цинком, происходит рекомбинация неравновесных электронов с испусканием фотонов. Для вынужденного испускания при 77 К необходима пороговая плотность тока 10⁴ А/см²_. Излучение с длиной волны l=0,84 мкм соответствует всему энергетическому зазору между зонами для этой температуры.

Вначале из-за высокой плотности тока был возможен лишь импульсный режим работы инжекционного лазера. Однако при более низких температурах пороговая величина плотности тока становится меньше и при 4,2 К составляет 700 А/см². В этих условиях возможен также и непрерывный режим.

Основными достоинствами инжекционного лазера являются:

1. Прямое возбуждение электрическим током, проходящим через р® п-переход.

2. Высокий КПД. Энергия каждого инжектированного неравновесного носителя заряда может выделиться в виде энергии излучения. При этом почти вся мощность постоянного тока, выделившаяся на р ® п - переходе, превращается в мощность когерентного излучения.

3. Простая модуляция. Для амплитудной модуляции когерентной волны необходимо лишь приложить к р ® п- переходу регулируемое напряжение.

4. Вследствие малых размеров и низкой потребляемой мощности инжекционный лазер является весьма экономичным устройством.

Взаимосвязь и значение основных факторов, влияющих на пороговый ток накачки:

1) Чем шире линия усиления, тем выше пороговый ток. Ширина линии усиления определяется распределением электронов и дырок по уровням в валентной зоне и зоне проводимости, которое, в свою очередь, сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем выше плотность порогового тока накачки.

Рис. 10. Зависимость пороговой плотности тока от температуры в инжекционных лазерах: 1 – диффузионные диоды; 2 – эпитаксильные диоды; 3 – односторонние гетероструктуры; 4 – двойные гетероструктуры.

2) Необходимо учитывать зависимость порогового тока от длины диффузии l, т.е. от глубины проникновения инжектированных электронов в р -область. Глубина активной области оказывается меньше длины диффузии. Концентрация электронов в глубине р -области уменьшается и часть инжектированных электронов уже не принимает участия в индуцированных переходах и теряется, либо рекомбинируя безызлучательно, либо испуская кванты спонтанного излучения.

Теоретически инжекционный лазер может иметь очень высокий к.п.д., близкий к 1. Практически, конечно, к.п.д. лазера несколько меньше (0,5-0,6), так при учите потерь в контактах, поглощения части фотонов внутри резонатора и некоторые другие. Экспериментально в настоящее время удаётся получать к.п.д. 70…80 % при азотном охлаждении и 30…40 % в неохлаждаемых лазерных диодах, работающих при комнатной температуре.

Было предложено использовать для уменьшения порогового тока в инжекционных лазерах не простые (или, как их называют, гомопереходы), а сложные р – п – структуры, состоящие из полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).

Гетеропереходный инжекционный лазер представляет собой по крайней мере трёхслойную структуру, состоящую из полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. Реализация такой идеи стала возможной благодаря освоению способов эпитаксиального выращивания многослойных структур на основе твердого раствора (Al, Ga) As /здесь скобки означають, что относительное процентное содержания Al и Ga изменяется/, такие структуры обладают высоким кристаллическим совершенством, обусловленным близостью ковалентних радиусов атомов галлия и алюминия (отличие ок. 0,1 нм). Замещение галлия алюминием происходит с очень малым изменением периода решетки, а электронная структура кристала существенно перестраивается. В частности, в широком диапазоне (от 1,43 до 2,2 эВ) меняется ширина запрещенной зоны.

Для улучшения характеристик инжекционных лазеров применяют сложные гетероструктуры, в которых используют один или несколько гетеропереходов и гомопереходы. Например, основной эффект гетероперехода (резкое снижение порога генерации при комнатной температуре) достигнут для двухсторонней гетероструктуры n (Al, Ga) - pGaAs - p (Al,Ga) As.

Плотность порогового тока для такой структуры менее 10² А/м² при комнатной температуре, для такой структуры удалось получить непрерывную генерацию без специального охлаждения.

В общем случае в гетеропереходе имеется скачок ширины запрещенной зоны ΔЕ, который является суммой разрывов в положении краев зоны проводи мости ΔЕ_с и валентной зоны ΔЕ_v. Величины ΔЕ_с и ΔЕ_v определяются парой полупроводников и не зависят от смещения на переходе, типа проводимости и уровня легирования. Наличие ΔЕ_с >0 и ΔЕ_v>0 гарантирует односторонню инжекцию из широкозонного эммитера в узкозонную базу полупроводникового диода.

Благодаря гетеропереходам создают концентрацию избыточных носителей тока, во много раз превышающую равновесную концентрацию этих же носителей тока в эммитере.

Для р-n гетероперехода максимально достижимая концентрация носителей увеличивается на множитель , для n-p гетероперехода в раз.

Потенциальные барьеры, возникающие в области р-р или n-n гетероперходов существенно ослабляют диффузионное растекание инжектированных носителей тока. Физически это обусловлено тем, что если высота потенциального барьера намного больше величины kT/e, то инжектированные электроны практически полностью отражаются от барьера и рекомбинируют только в активном слое. В таком переходе имеет место так называемая суперинжекция, состоящая в том, что концентрация неравновесных электронов в активной области, может превышать равновесную концентрацию электронов в широкозонной области, и, следовательно, для удовлетворения условий генерации нет необходимости в сильном легировании эмиттера.

В гомолазере ширина активной области существенно зависит от диффузионной длины пробега электронов в р- области. В гетеролазере инжектированные в активный слой электроны отражаются от потенциального барьера между областями и накапливаются в потенциальной яме – активной области лазера. Этот эффект называется эффектом ”электронного ограничения”.

Ширину активной области можно менять, задавая время выращивания промежуточного слоя в процессе изготовления гетероструктуры. Ширина активного слоя в гетеролазере может быть сделана значительно меньше диффузионной длины l. Это тоже приводит к увеличению фактора усиления, который связывает коэффициент усиления в активной области с плотностью тока накачки. Фактор усиления характеризует изменение коэффициента усиления на 1 А изменения тока накачки. В гетеролазерах этот фактор усиления примерно на два порядка выше, чем в гомолазерах. Использование гетеропереходов дало возможность получить непрерывную генерацию в неохлаждаемых диодах, что существенно расширило область возможных применений полупроводниковых лазеров.

Отличительная особенность гетеролазеров состоит в том, что из-за значительных скачков диэлектрической проницаемости на гетерограницах активная область гетеролазера представляет собой эффективный волновод. Электромагнитное поле излучения лазера локализуется в активной области. В результате этого удаётся несколько уменьшить оптические потери на межзонных переходах в пассивных областях.

Использование гетеропереходов явилось большим прогрессом в физике и технике инжекционных лазеров и позволило преодолеть температурный барьер, который в течение ряда лет существенно сдерживал работу по практическому использованию полупроводниковых лазеров.

Дата добавления: 2015-06-27