Лазерный эффект в полупроводниках

Рассмотрим условия усиления электромагнитного излучения в полупроводнике. Отличительной чертой полупроводника является то, что в процессе взаимодействия с излучением принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны разрешенных энергий: зона проводимости и валентная зона. В этом случае поглощение (или испускание) кванта излучения может произойти только тогда, когда в валентной зоне (зоне проводимости) имеется электрон и одновременно в зоне проводимости (валентной зоне) – незаселенный уровень (дырка). Вероятности такого совпадения пропорциональны величинам f _с(1– f_v) и f_v (1– f _с). В этих выражениях f _с и f_v – функции распределения Ферми–Дирака для электронов в зоне проводимости и валентной зоне:

,                                (3.27)

где ,  – энергии дна зоны проводимости и потолка валентной зоны соответственно; F_n и F_p — квазиуровни Ферми для электронов и дырок.

Обозначим вероятность перехода между энергетическими состояниями в зоне проводимости и валентной зоне в единицу времени как _изл для излучения и _погл для поглощения. Тогда скорости испускания и поглощения фотонов можно записать в виде

,                               (3.28)

                         (3.29)

где А – коэффициент, пропорциональный произведению плотности занятых и свободных состояний в валентной зоне и зоне проводимости.

Условием усиления излучения является превышение скорости излучательной рекомбинации над скоростью поглощения v _изл > v _погл, т. е.

             (3.30)

Исзодя из принципа детального равновесия _изл = _погл, тогда

                                    (3.31)

                                            (3.32)

Используя выражения (3.9), получим

                                 (3.33)

Отсюда

                                                 (3.34)

Соотношение (3.34) называют первым лазернымусловиемБернара-Дюрафура и является основным условием инверсной населенности в полупроводниках. Оно показывает, что при прямых межзонных переходах электронно-дырочный газ должен быть вырожденным хотя бы в одной из областей р – n -перехода.

В инжекционных лазерах (лазерных диодах) накачка производится путем инжекции неосновных носителей заряда через р – n -переход при пропускании через него тока в прямом направлении. На рисунке 3.3приведены энергетические диаграммыгомогенного р – n -перехода полупроводникового лазера в равновесном состоянии и режиме лазерной генерации.

Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма р – n -перехода лазера: а — при отсутствии смещения; б – при прямом смещении и токах, больших порогового

Полупроводниковые инжекционные лазеры можно разделить на следующие категории (рисунок 3.4): гомолазер, или лазер на гомоструктуре; гетеролазер на односторонней гетероструктуре (ОГС); гетеролазер на двусторонней гетероструктуре (ДГС); гетеролазеры на основе квантоворазмерных структур. Две боковые грани кристалла, перпендикулярные плоскости р – n -перехода, скалываются или полируются (через них выводится излучение); две другие (они заштрихованы) обрабатываются грубо, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным.

Приоритет в разработке лазеров с двойной гетероструктурой принадлежит лауреату Нобелевской премии академику Ж.И. Алферову с сотрудниками. Гетеролазеры с полосковой структурой предназначены для дальнейшего уменьшения порогового тока и эффективной селекции мод в направлении, параллельном р– n -переходу.

 

Рис. 3.4. Лазер на гомоструктуре (а): сколы кристалла действуют как зеркала резонатора. Лазер ОГС (б): толщина слоя p-GaAs составляет ~ 2 мкм. Лазер ДГС (в): толщина активного слоя p-GaAs менее 0,5 мкм

Такие лазеры, как правило, создаются вытравливанием мезаструктуры, перпендикулярной резонаторным граням и ее последующим заращиванием широкозонным не проводящим ток твердым раствором (AlGaАs:Те на рисунке 3.4). Таким образом обеспечивается электронное и оптическое ограничение по обеим координатам.

Рис. 3.5. Структура полоскового лазера с двойной гетероструктурой	Рис. 3.6. Конструкция лазера с раздельным электронным и оптическим ограничением и распределенной обратной связью. Дифракционная решетка расположена в эпитаксиальном слое под активной областью

Гетеролазеры с распределенной обратной связью (РОС – гетеролазеры) (рисунок 3.5). Гетерограница между активной областью (например GaАs) и одним из эмиттеров (А1GaАs) делается гофрированной, причем гофр (отражатели Брегга) располагается перпендикулярно полосковой структуре. Периодические изменения показателя преломления приводят к интерференции. Шаг гофрировки для решетки, работающей в первом порядке, равен , т.е. 0,13 мкм для GaАs. С использованием РОС-гетеропереходов уменьшена расходимость светового пучка в плоскости, перпендикулярной р– n -переходу, улучшена температурная стабильность спектральных характеристик лазера и обеспечена возможность эффективного ввода излучения в оптические волноводы.

Наибольшая доля промышленного выпуска полупроводниковых инфракрасных лазеров на двойных гетероструктурах приходится на приборы, согласованные с полосами пропускания оптических волокон: 0,84 мкм (лазеры на Al_0,3Ga_0,7Аs/GaAs или Al_0,05Ga_0,95Аs); 1,31 мкм (Gа_0,28In_0,726Аs_0,68Р_0,4/InР) и 1,55 мкм (Gа_0,4In_0,6Аs_0,88Р_0,12/InР) и характеризуются пороговыми плотностями тока порядка 1-3 кА/см² (см. рисунки 3.5 и 3.6).

Мощные полупроводниковые лазеры обеспечивают 0,2-0,5 Вт в одночастотном непрерывном режиме, а в многомодовом – 5-10 Вт при КПД до 50-60%. Углы расхождения излучения в плоскости р–n-перехода 10-30^о, в перпендикулярной плоскости 30-60^о. Предельные частоты модуляции излучения – несколько гигагерц и более. Для генерации большей мощности в непрерывном режиме осуществляется термоэлектрическое охлаждение.

Гетеролазеры с квантоворазмерными структурами. В современных лазерах в качестве активной области, где происходит накопление и последующая излучательная рекомбинация неравновесных электронов и дырок, используются квантоворазмерные структуры: квантовые ямы и точки. Ступенчатый вид функции плотности состояний для двумерного электронного газа в квантовой яме уменьшает тепловое размытие в распределении носителей по энергиям и облегчает достижение инверсии. Ослабевает температурная зависимость пороговой плотности тока и растет коэффициент усиления. В инфракрасных лазерах с такой структурой и размером активной области 5-20 нм пороговая плотность тока снижается до 40 А/см².

Рис. 3.7. Схема лазера AlGaN / InGaN / GaN, изготовленного на сапфировой подложке с маской из Si О2. МЛ СР — сверхрешетки с модулированным легированием; МКЯ - множественные квантовые ямы	Рис. 3.8. Поверхностно-излучающий инжекционный микролазер с брегговскими зеркалами и активной областью, содержащей вертикально связанные квантовые точки

На рисунке 3.7 приведена схема полоскового лазера, излучающего в непрерывном режиме на длине волны 417 нм (фиолетовый цвет). Излучение генерируется в активной области, представляющей собой набор из примерно 20 квантовых ям состава In_0,15Ga_0,85N-In_0,02Ga_0,985N. Оптический волновод изготовлен из слоев n - и р -типа GaN.

В лазерах с поверхностным выводом излучения (рисунок 3.8) ось оптического резонатора расположена нормально к плоскости р– n -перехода, а зеркала резонатора изготавливаются в виде брегговских интерференционных отражателей и состоят из большого числа чередующихся четвертьволновых слоев с разными показателями преломления. Активная область содержит вертикально-связанные квантовые точки на основе узкозонного InGaАs в матрице GaАs или GaAlАs. Рабочий ток отдельного микролазера не превышает единиц миллиампера при пороговых токах в десятые и сотые доли миллиампера. Лазеры с поверхностным выводом излучения обеспечивают малую расходимость круглого в сечении луча и одномодовый режим работы, стыкуются с оптическим волокном с минимальными потерями и используются в линиях связи со скоростями до 100 Гбит/с и более.

Наконец, каскадные полупроводниковые лазеры используются для инфракрасного диапазона спектра 3-100 мкм, в которых используются внутризонные переходы между подзонами размерного квантования электронов в квантовой яме или электронными уровнями квантовой точки.