6.7.2. Конструкция и работа инжекционных лазеров

Инжекционный лазер представляет собой инжекционный p-n переход, в котором генерация когерентного излучения обусловлена рекомбинацией электронов и дырок в области p-n перехода при протекании прямого тока. Избыток энергии при рекомбинации электрона и дырки может выделяться в виде кванта излучения hv≈∆E, где ∆E- ширина запрещенной зоны, либо передаваться кристаллической решетке, что приводит к повышению температуры кристалла. В связи с этим различают излучательную и безизлучательную рекомбинацию. Вероятность того или другого процесса зависит от строения энергетических зон полупроводника. На рис. 6.19а и б приведены возможные зависимости энергии электронов в полупроводнике от волнового вектора k .

а б

Рис.6.19. зависимости энергии электронов в полупроводнике от

волнового вектора k

Напомним, что значение волнового вектора, в соответствии с теорией волн де-Бройля, однозначно определяет импульс электрона. Верхняя ветвь отражает зависимость энергии электрона от импульса в зоне проводимости, нижняя - в валентной зоне. Интервал между максимумом энергии валентной зоны и минимумом зоны проводимости представляет собой запрещенную зону. При рекомбинации происходит переход электрона из нижнего состояния зоны проводимости (точка А) в наиболее высокое состояние валентной зоны (точка В). При переходе выполняются законы сохранения энергии и импульса. В первом случае (рис. 6.18,а), импульс электрона в начальном и конечном состояниях практически один и тот же. Согласно закону сохранения энергии имеем:

∆E = hv (6.36)

Импульс фотона пренебрежимо мал по сравнению с импульсом электрона. В этом взаимодействии им можно пренебречь. Следовательно, импульс электрона в начальном и конечном состояниях один и тот же, что соответствует закону сохранения импульса. В непрямозонных полупроводниковых материалах, структура зон которых отображена на рис. Зb, рекомбинационный переход сопровождается существенным изменением импульса электрона (непрямой переход). Это изменение не может быть скомпенсировано импульсом, возникающего фотона. Поэтому для осуществления таких переходов необходимо участие третьей частицы. Такой третьей частицей, которая участвует во взаимодействии, является фонон (квант упругих колебаний решетки). Законы сохранения для этого случая запишутся в форме:

для энергии,

(6.37)

для импульса.

Энергия фонона ≈ ∆Е, поэтому энергия возникающего кванта света hv ≈∆Е. В то же время ≈ 0, поэтому избыточный импульс электрона целиком передается фонону. Поскольку непрямые переходы происходят при одновременном участии трех частиц, их вероятность мала по сравнению с вероятностью конкурирующих безизлучательных процессов. Для изготовления лазеров используются прямозонные полупроводники с высокой вероятностью излучательных переходов, например полупроводники группы А₃В₅.

Лазерные p-n переходы изготавливаются на основе материалов p и n типа с высокой степенью легирования. Концентрация легирующей примеси в них настолько высока, что уровень Ферми в полупроводнике n типа расположен выше дна зоны проводимости (рис. 6.20,а). Состояния между дном зоны проводимости и уровнем Ферми при этом полностью заполнены электронами (заштрихованная область).

Рис.6.20. Уровень Ферми в полупроводнике n типа

В полупроводнике p-типа уровень Ферми расположен выше потолка валентной зоны. Состояния между уровнем Ферми и потолком валентной зоны при этом свободны (рис.6.20,b). Полупроводники такого типа называются вырожденными. Энергетическая структура перехода, образованного вырожденными полупроводниками в отсутствие внешнего напряжения, приложенного к переходу, приведена на рис.6.21.а. Если к p-n переходу приложить внешнее напряжение в прямом направлении (плюс к области p), энергетический барьер в области контакта понизится. Возникнет диффузионный ток электронов из n

Рис.6.21. Энергетическая структура перехода

области в p область и дырок в обратном направлении (рис.6.22,b). В узком контактном слое, толщиной d возникает область с инверсной заселенностью, в которой плотность электронов у дна зоны проводимости выше, чем у потолка валентной зоны. Если в этой области распространяется излучение с энергией квантов удовлетворяющей условию: ∆E < hv <

Рис. 6.22. Конструкция лазера

(E_Fn - E_Fp ), то оно может индуцировать только переходы, направленные вниз от заполненных состояний зоны проводимости на свободные состояния у потолка валентной зоны. Интенсивность света при этом будет возрастать. Для осуществления генерация когерентного излучения p-n переход помещают в оптический резонатор. Такая конструкция и представляет собой полупроводниковый инжекционный лазер. Обычно роль резонаторов в полупроводниковых лазерах выполняют плоскопараллельные грани кристалла, перпендикулярные плоскости p-n перехода. Поверхности этих граней высокого оптического качества получают либо полировкой, либо скалыванием по естественным кристаллографическим плоскостям. Конструкция типичного лазера на арсенид галлия, длина волны излучения которого близка к 0,84 мкм, показана на рис. 6.22. В нем использован вырожденный полупроводник n-типа (1), содержащий 10¹⁸ атомов донорной примеси теллура в 1 см³.

P -область образована путем диффузии акцепторной примеси цинка с поверхностной концентрацией 10² 10³ см³ (2). Торцевые поверхности (3), перпендикулярные плоскости перехода (отполированные или сколотые), служат отражателями лазерного резонатора.