Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе

В принципе накачку полупроводниковых лазеров можно осуществлять различными методами, однако, до сих пор наиболее эффективным является использование полупроводника в виде диода, в котором возбуждение происходит за счет тока, протекающего в прямом направлении p-n перехода. Для объяснения принципа работы полупроводниковых инжекционных лазеров здесь ограничимся рассмотрением физических процессов на гомопереходе, который образуется в плоскости контакта двух одноименных полупроводников с p и n - типами проводимости.

Как уже было отмечено, у вырожденных полупроводников квазиуровни Ферми E_Fn и E_Fp находятся ответственно внутри разрешенных зон (E_Fn - квазиуровень Ферми для электронов в зоне проводимости, E_Fp - квазиуровень Ферми для дырок в валентной зоне). Если полупроводник n и p -типа привести в контакт, то произойдет встречная диффузия и рекомбинация электронов из n - области и дырок из p - области до наступления равновесия, когда квазиуровни Ферми совместятся, т.е. E_Fn=E_Fp=E_F. При этом возле границы электронно-дырочного перехода в n - области останется положительный объемный заряд ионизированных доноров, а в p - области в результате отхода дырок - отрицательный объемный заряд ионизированных акцепторов. Эти пространственные заряды образуют двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии и рекомбинации электронов и дырок - устанавливается равновесие. Падение напряжения на границе p - и n -областей называется потенциальным барьером p - n - перехода.

Если к p - n -переходу приложить электрическое напряжение (в прямом или обратном направлении), то равновесие нарушится. При приложении напряжения величиной U в прямом направлении высота потенциального барьера понизится на значение энергии eU, или что то же самое - два квазиуровня Ферми теперь становятся разделенными энергетическими промежутками ∆E=eU. Зонная структура р - п -перехода полупроводника при смещении в прямом направлении показана на рис 4.3. При этом, как видно из рисунка, взаимное расположение уровней удовлетворяют условию квантового усиления (E_Fn-E_Fp)>E_g, т.е. в области квантового перехода возникает инверсное распределение населенностей.

 

Рис.4.3. Диаграмма энергетических зон р-n – перехода в отсутствии смещения (а) и при смещении в прямом направлении (б).

 

По существу, при смещении в прямом направлении происходит инжекция в активный слой электронов из зоны проводимости материала п -типа и дырок из валентной зоны материала р - типа. Как только электрон достигает материала р - типа он становится не основным носителем и диффундирует до тех пор, пока не рекомбинирует с дыркой в валентной зоне.

Таким образом, физические процессы в p-n переходе происходящие в инжекционном лазере можно описать следующим образом. После подачи на лазерный диод напряжения в прямом направлении необходимой величины наступает инверсная населенность зонных состояний. При этом через p - n переход потечет прямой ток, и будет происходить мощная излучательная рекомбинация носителей при переходах "зона - зона" или "примесный уровень - зона". Эффективность этого процесса в лазерных диодах достаточно высока и достигает до 30%.

Через некоторое время взаимодействие электронов и дырок приведет их в равновесное состояние, при этом уровни Ферми совместятся. Приложение следующего импульса напряжения приводит к повторению процесса.

Как видно из рис.4.1(б) световые кванты с энергией от hv_max до hv_min поглощаться не будут, т.к. нижние состояния свободны, верхние заселены. Одновременно эти кванты могут стимулировать рекомбинацию. В результате будет иметь место усиление света в полосе частот Dn =n_max-n_min. Ширина этой полосы определяется степенью вырождения (DE) и шириной запрещенной зоны (Е_g).

На рис.4.4. приведена конструкция лазера на арсениде галлия с р - п -переходом. Кристалл полупроводникового лазера имеет размеры порядка 500´400´100 мкм. Изготовление оптического резонатора таких размеров связано с технологическими трудностями. Поэтому для обеспечения необходимой для генерации обратной связи две выходные плоскости полупроводникового кристалла делают параллельными друг другу (обычно это достигается посредством скалывания вдоль кристаллографических осей). Так как показатель преломления у полупроводникового кристалла, как правило, большой и равняется, например для GaAsn = 3,6, то на поверхности раздела полупроводник - воздух обеспечивается достаточный для лазерной генерации коэффициент отражения (около 35%). Толщина р - п – перехода равна нескольким микрометрам, что является причиной сравнительно большого угла расходимости выходного излучения полупроводниковых лазеров. Следовательно, лазерный пучок довольно далеко проникает в p- и n- области, где испытывает сильное поглощение. Это является главной причиной, почему пороговая плотность тока при комнатной температуре в лазере на гомопереходе оказывается высокой. Например, при 77 ⁰К для этих лазеров значение J_пор»(2 - 3)×10² А/см², а при комнатных температур пороговая плотность тока возрастает до 10⁵ А/см². Непрерывная генерация в этих лазерах достигается при охлаждении кристалла до температуры жидкого азота, т.е. до 77 ⁰К. Вслед­ствие этого лазер не может работать в непрерывном режиме при комнатной температуре (или выйдет из строя через очень ко­роткое время!). Однако пороговая плотность тока в диодном лазере быстро уменьшается с понижением рабочей температуры. Это обусловлено тем, что с понижением температуры величина f_c(1-f_v) - увеличивается, а f_v(1-f_c) уменьшается. Поэтому уси­ление [которое зависит от разности f_c(1-f_v) - f_v(1-f_c)] быстро возрастает. Вследствие этого лазеры на гомопереходе могут работать в непрерывном режиме только при низких температурах. Это является серьезным недостатком данного типа лазеров и наложило ограничения на возможности их практического применения.

 

Рис.4.4. Упрощенная конструкция п/п лазера ср - n -гомопереходом. 1-полированные поверхности (сколы по спайностям); 2-шероховатые поверхности.

4.3 Инжекционный полупроводниковый лазер
на гетеропереходе

Существенное снижение пороговой плотности тока и, следовательно, получение непрерывной генерации при комнатной температуре возможно при использовании гетероструктур, которые могут быть изготовлены как одинарные, двойные или многократные. Гетероструктура возникает при наращивании монокристаллического слоя одного полупроводника на монокристаллической подложке другого полупроводника, т.е. при контакте двух различных по химическому составу и по ширине запрещенной зоны полупроводников. Такое наращивание без существенного нарушения монокристальности всего образца в целом возможно только для тех полупроводниковых материалов, кристаллические решетки которых почти не отличаются друг от друга. Обычно это осуществляется при изопериодическом замещении методом эпитаксиального роста. Примерами являются пары GaAs-Al_xGa_1-x As, GaAs-GaAs_xP_1-x,CdTe-CdSe и т.п.

Односторонние гетероструктуры (ОГС) являются комбинацией р - п – перехода и гетероперехода, расположенного вблизи р - п – перехода. ОГС создается гетероэпитаксиальным наращиванием с последующей диффузией примеси в подложку для образования р - п – перехода. Например, в ОГС на основе арсенида галлия на подложку с электронной проводимостью наращивается слой Al_xGa_1-x As р – типа с более широкой запрещенной зоной, чем у GaAs. Акцепторы, диффундирующие из этого слоя в подложку, образуют активный р – слой в GaAs. При толщине этого слоя около 2 мкм р - р – гетеропереход эффективно влияет на распределение инжектированных электронов, препятствуя их диффузионному растеканию от р - п – перехода. В результате потенциальный барьер в р - р – гетеропереходе ограничивает объем активной области, т.е. создается эффект «электронного ограничения», что снижает пороговую плотность тока при комнатной температуре до ~10⁴ А/см².

Двусторонняя гетероструктура содержит два гетероперехода: один инжектирующий, другой – ограничивающей диффузионное растекание носителей тока. Активная область заключена между гетеропереходами.

Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис.4.5. приведен пример лазерной структуры с двойным гетеропереходом в GaAs.

Рис.4.5. Схема диода п/п лазера с двойным гетеропереходом. Активная

область заштрихована.

В этом диоде реализованы два перехода между различными материалами [ Al_0,3Ga_0,7As(р) – GaAs и GaAs – Al_0,3Ga_0,7As(n) ]. Активная область представляет собой тонкий слой GaAs (0,1- 0,3 мкм).

В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной температуре можно уменьшить примерно на два порядка (т.е. ~10³ А/см²) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшению пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов: 1) Показатель преломления GaAs (n₁ 3,6) значительно больше показателя преломления Al_0,3Ga_0,7As (n₁ 3,4), что приводит к образованию оптической волноводной структуры (рис.4.6,а). Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т.е. в области, в которой имеется усиление. 2) Ширина запрещенной зоны Е_g1 в GaAs (~1,5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны Е_g2 в Al_0,3Ga_0,7As (~1,8 эВ). Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (рис.4.6,в). Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление.

Рис.4.6. а-профиль показателя преломления; б- поперечное сечение пучка; в-зонная структура полупроводника с двойным гетеропереходом, используемом в диодном лазере.

3) Поскольку Е_g2 значительно больше, чем Е_g1, лазерный пучок с частотой Е_g1 / h почти не поглощается в Al_0,3Ga_0,7As. Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в р-, так и в n- области (рис.4.6,б), не испытывают там сильного поглощения.

Длина волны излучение лазера с двойным гетеропереходом на GaAs ( =0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором мы имеем минимум потерь в оптическом волокне из плавленого кварца (первое окно пропускания). В настоящее время усиленно разрабатываются лазеры с двойным гетероструктурой, работающие на длине волны либо 1,3 мкм, либо 1,6 мкм, на которых наблюдается два других минимума потерь оптического волокна (второе и третье окна пропускания), поскольку потери в этих минимумах существенно меньше. Здесь наибольший интерес в качестве активной среды представляет четырехкомпонентный сплав In_1-xGa_xAs_yP_1-y, где р- и n- области переходов выполняются из бинарного соединения InP. В этом случае добавляется новое условие, которому необходимо удовлетворить: постоянная решетка четверного сплава должна совпадать с постоянной решеткой InP (с точностью порядка 0,1%). Если это условие не выполняется, то слой четверного сплава, эпитаксиально выращенный на подложке из InP, приведет достаточно сильным напряжениям, который рано или поздно разрушает переход. Если выбрать значения параметров x и y четверного сплава таким образом, чтобы y 2,2 x, то решетка четверного сплава согласуется с решеткой InP. Выбирая соответствующим образом x, можно получить длину волны излучения в диапазоне 0,92-1,5 мкм.

Рис.4.7.Ватт-амперная характеристика полупроводникового лазера

 

Гетероструктуры для создания полупроводниковых инжекционных лазеров были предложены Ж.И. Алферовым, которые были реализованы под его руководством в 1968 году.

Для технических применений (лазерное печатающее устройство, лазер для записи на оптический диск, лазер для оптической связи и т.д.) разработаны лазеры специальной конструкции. Самыми распространенными типами являются:

1. Полосковый лазер – полупроводниковый лазер, в котором область генерации выполнена в виде полоски, конструкция которого обеспечивает уменьшение рабочего тока и осуществление селекции поперечных мод.

2. Лазер с распределенной обратной связью (РОС –лазеры)-лазер, в котором вместо резонатора Фабри - Перо используется распределенная обратная связь с периодически изменяющимся показателем преломления вдоль пути света, причем периодическая структура находится в p-n -переходе кристалла.

3. Лазер с распределенным брэгговским отражением, принцип работы которого также как у РОС-лазеров, но отражающая периодическая структура находится вне p-n перехода кристалла.

4. Двухрезонаторный лазер-это полупроводниковый лазер, в котором вокруг активной области полупроводниковой структуры ставится одно или два зеркала. Зеркало совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.