Лазеры с квантовыми ямами и точками

Самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на двойной гетероструктуре, где активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника между двумя широкозонными. Такие двойные гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений A^IIIB^V были предложены и реализованы Ж.И. Алферовым и др. При достаточно малой толщине активной области гетероструктура начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров.

Основное влияние на свойства лазеров оказывает изменение плотности состояний, происходящие под влиянием размерного квантования. Если в массивном полупроводнике в непосредственной близости от края зоны эта величина мала, то в квантово-размерной системе она не убывает вблизи края, оставаясь равной m/πħ². Благодаря этому факту условия создания инверсной населенности в двумерных системах оказываются более благоприятными, чем в трехмерных. Создание лазеров с квантово-размерной активной областью позволило получить непрерывную генерацию при комнатной температуре и в дальнейшем снизить пороговый ток инжекционного лазера до рекордно низких значений, составляющих к настоящему моменту величину порядка 50 А/см².

Благодаря иной энергетической зависимости плотности состояний меняется не только величина порогового тока, но и его температурная зависимость. Она становится более слабой, в силу чего непрерывную генерацию удается получить не только при комнатной, но и при более высокой температуре.

Другой особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов равна

 

(6)

 

Она меняется при изменении размеров квантовой ямы, т.е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществить перестройку частоты генерации, сдвигая ее в коротковолновую сторону по сравнению с лазерами с широкой (классической) активной областью.

 

Рисунок 4 - Двусторонняя лазерная гетероструктура: а) в состоянии

термодинамического равновесия; б) при работе.

 

В квантовых точках энергетический спектр меняется больше радикально, чем в квантовых ямах. Плотность состояний имеют δ - образный вид, и в результате отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и, как следствие, уменьшает пороговый ток.

 

Лавинные фотодиоды

 

Лавинные фотодиоды представляют собой фоточувствительные приборы с внутренним усилением, позволяющие получить высокую чувствительность. Основным их недостатком является то, что с лавинным умножением связан дополнительный шум, ограничивающий возможность детектирования слабых сигналов. Давно установлено, что для получения низкого уровня шума при большом внутреннем усилении необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации электронов α и дырок β резко различались между собой.

В большинстве соединений А^IIIВ^V α / β 1, что приводит к возрастанию шума при умножении. Поэтому большое практическое значение имеют методы, позволяющие в указанных материалах увеличить α / β. Одним из способов сделать это является создание структур типа сверхрешеток, использующих явление ударной ионизации на разрыве энергетических зон. Рассмотрим зонную диаграмму сверхрешеточной структуры в сильном электрическом поле обратно-смещенного р-i-n –диода (рисунок 5).

 

Рисунок 5 - Схема лавинного фотодиода с системой квантовых ям

 

Пусть имеем горячий электрон, ускоряющийся в барьерном слое широкозонного полупроводника. Влетая в узкозонный слой, он резко увеличивает энергию на величину разрыва зоны проводимости Δ E_c. Это эквивалентно тому, что он «видит» энергию ионизации, уменьшенной на Δ E_c по сравнению с пороговой энергией в массивном узкозонном полупроводнике. Так как коэффициент ударной ионизации α с уменьшением пороговой энергии экспоненциально растет, следует ожидать резкого увеличения эффективного значения α. В следующем барьерном слое пороговая энергия увеличивается на Δ E_c, уменьшая тем самым α в этом слое. Но так как α ₁<< α ₂ (1 и 2 относятся соответственно к широкозонному и узкозонному материалам), то экспоненциальный рост α ₂ приводит к тому, что и среднее значение значительно увеличивается.

Если разрывы в валентной зоне Δ E_v значительно меньше разрывов в зоне проводимости, то подобный эффект для дырочного коэффициента β будет значительно меньше. Окончательным результатом будет сильное увеличение отношения α / β, что и приводит к уменьшению шума прибора без уменьшения чувствительности.