Инжекционные лазери на гомопереходах

У лазерах на гомопереходе накачування здійснюється в p-n переході, у якому як р- область, так і n- область виконані з того самого напівпровідникового матеріалу, найчастіше це GaAs. Основна структура лазерних діодів на p-n переході показана на малюнку*****. Звичайно p-n перехід формується эпитаксальным вирощуванням шаруючи типу р на підкладці типу n. У кожній області створюються омічні контакти для пропущення електричного струму, необхідного для накачування. Коли перехід сформований, а напруга не прикладена, обидва рівні Ферми мають однакові енергії.

 

Якщо до контактів прикладена напруга U, два рівні стають розділеними проміжком D E = e, таким чином, при зсуві в прямому напрямку зонна структура прийме вид показаний на малюнку 3б. При зсуві в прямому напрямку відбувається інжекція в активний шар електронів з активної зони провідності матеріалу n-типу й дірок з валентної зони матеріалу p-типу.

Товщина активної області d приблизно дорівнює середній відстані, прохідному електроном до рекомбінації з діркою. Відповідно до теорії дифузії товщина , де D – коефіцієнт дифузії, t -середній час життя неонового носія до рекомбінації. В арсеніді гелію (GaAs) коефіцієнт дифузії D =10див²/з, а t»1 нс, отже, d=1мкм. Тому що D Е»Е_д, де Е_д – ширина дозволеної зони, то V= Е_д / е. Для розглянутого випадку маємо V(1,5У.

Заштрихована на малюнку 2 область являє собою активний шар. Щоб забезпечити необхідну для генерації зворотний зв'язок, дві вихідні площини роблять паралельними друг до друга, звичайно за допомогою сколювання уздовж кристалографічних площин. На ці поверхні можна не наносити покриття, що відбивають. Це можливо тому, що показник переломлення в провідника - повітря, при френелевском відбитті одержує досить високий коефіцієнт відбиття (близько 35% для GaAs).

Коли на лазерний діод подається прямий зсув і починає протікати струм, пристрій не відразу працює в лазерному режимі. При малому струмі випускається свет, що, виникає головним чином за рахунок спонтанної емісії й має спектральну характеристику шириною порядку сотень- ангстрем - некогерентне світло (малюнок 4). У міру наростання струму накачування в області переходу створюється висока інверсна населеність і випромінюється більше фотонів. Перехід від спонтанної емісії до лазерного випромінювання відбувається різко, після того як струм перевищить граничне значення. При цьому спостерігаються різкий злам на кривої залежності потужності оптичного випромінювання від типу накачування (мал. 5), що є результатом різкого збільшення квантового виходу в лазерному процесі.

Випромінювання лазерного діода, отримане при плотностях струму вище граничного, - когерентне. При цьому форма кривої спектрального розподілу різко змінюється від широкої кривої розподілу спонтанної емісії до кривої з декількома вузькими модами, як показано на малюнку 4.

Граничним називається мінімальний струм, при якому посилення випромінювання за рахунок змушених переходів дорівнює втратам у кристалі напівпровідника. Вираження для граничної щільності струму може записано так:

 

 

Щільність граничного струму для більшості гомолазеров порядків 10⁵А/див². Тому що площа діода становить близько 10^-3 див², максимальний струм звичайно досягає 10 А. Проходження через p-n перехід струмів такої щільності приводить до сильного розігріву, а це, у свою чергу, зменшує ефективність випромінювання. Тому гомолазеры працюють при кімнатній температурі лише в імпульсному режимі, пікова вихідна потужність становить 10 Вт. Безперервний режим роботи може бути реалізований тільки при охолодженні.

Гомолазеры мають невисокі эксплутационные параметри - великий граничний струм, малий термін служби, низький КПД. Це пояснюється більшою ймовірністю безвипромінювальних видів рекомбінації у вырожденных напівпровідниках, поглинанням генерируемого в активній області випромінювання в прилягаючих “пасивних” областях. Структура лазера сприяє виникненню поглинання. Як відзначалося вище, товщина активної області в перпендикулярному до p-n переходу напрямку становить близько 1 мкм. Однак внаслідок дифракції поперечний розмір лазерного пучка в цьому напрямку значно більше товщини активної області (~ 5 мкм). Отже, лазерний пучок досить глибоко проникає в р- і n- області, де випробовує сильне поглинання значною кількістю инжектируемых носіїв, які, маючи більшу довжину вільного пробігу, “проскакують” активну область, не беруть участь у процесі генерації лазерного випромінювання й рекомбинируют у пасивних областях, що не володіють підсилювальними властивостями.

 

Лазери на гетеропереходах

Для усунення недоліків гомолазеров і підвищення ефективності їхньої роботи необхідно обмежити зону поширення генерируемого світла й инжектируемых електронів і забезпечити протікання цих процесів тільки в активній області. Такі обмеження можуть бути отримані на гетеропереходных структурах. у цей час звичайно застосовується подвійний гетеропереход. Схематичне подання напівпровідникового лазера з подвійним гетеропереходом зображено на малюнку. У цьому діоді реалізовані два переходи між різними матеріалами.

Al₀₃Ga₀₃As(p) – GaAs і Al₀₃Ga₀₇As(n) – GaAs.

Активний шар являє собою тонкий шар GaAs (0,1–0,3мкм). У такій структурі граничну щільність струму при кімнатній температурі можна зменшити на два порядки (~ 10³ А/див²). У такий спосіб стає можливої робота в безперервному режимі при кімнатній температурі. Досягається це завдяки трьом фронтам:

1) показник переломлення GaAs (n» 3,6) більше чим показник переломлення Al_xGa_1-xAs (n»3,4), що приводить утворенню оптичної волноводной структури.

2) Ширина заборонної зони GaAs (~ 1,5 ев) менше ніж ширина зони для Al_xGa_1-xAs (~ 1,8 ев). Тому на обох переходах утворяться енергетичні бар'єри, які ефективно втримують инжектированные електрони дірки в активному шарі, тобто збільшується концентрація електронів і дірок в активному шарі, а значить збільшується й посилення.

3) Оскільки E _д2 більше чим E _д1, лазерний пучок з **** D= E _д1 / h майже не поглинається в Al₀₃Ga₀₇As. Тому крила поперечного профілю пучка, що розходяться в p- і n- області майже не випробовують сильного поглинання.

Довжина хвиль розглянутого лазера 0,85 мкм. Вона попадає в діапазон, у якому спостерігається мінімум втрат в оптичному волокні із плавленого кварцу (так зване вікно пропущення). У цей час посилено розробляються лазери з подвійний гетероструктурой, що працюють на довжині хвилі 1,3 мкм, або ((1,6 мкм.