4.7 Устройство и принцип действия полупроводниковых лазеров с гетероструктурами

Лучшей совокупностью технико-экономических показателей обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры.

Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенци­альными барьерами для встречных потоков и электронов, что вызывает одностороннюю инжекцию носителей заряда из широко­зонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое равновесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмит­тера значительно шире запрещенной зоны базы, а показатель прелом­ления n зависит от ширины запрещенной зоны. В гетеролазере нет не­обходимости легировать полупроводник до вырождения, так как усло­вие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в ширине запрещенных зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры достигается за счет повы­шения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению внутренней квантовой эффективности.

Первые инжекционные лазеры имели плотности порогового тока до 10⁵ А/см² при 300 К и поэтому не могли работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Избежать этого недостатка удается при использовании гетероструктур. В них за активной областью p-n - перехода следует полу­проводниковый слой с большей шириной запрещенной зоны и меньшим показателем преломления для лучшего пространственного ограничения носителей и оптического излучения. Это способствует уменьше­нию порогового тока лазеров с одиночной гетероструктурой до 10⁴ А/см² при комнатной температуре. Ещё лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГС). Разработан ДГС лазер, который при комнатной температуре имеет плотность порого­вого тока всего 1600 А/см².

Лазер выполнен на основе тройного полупроводникового соеди­нения . Активный слой из p – с узкой запре­щенной зоной имеет, толщину значительно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями с широкой запрещенной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии.

Полоску вытравливают в тонком слое , осажденном на полупроводниковый кристалл, и вскрывают окно под металлический контакт. Благодаря этому, накачке подвергается только часть активной области под полоской. Применив лазер длиной 400 мкм с по­лоской шириной 13 мкм, получили пороговый ток 300 мА при комнатной температуре. Более того, лазеры с полосковой геометрией сделали возможной работу на одной поперечной моде и на одной частоте, тогда как первые инжекционные лазеры характеризовались многомодовым спектром.

В простейшем инжекционном лазере толщина активного слоя соизмерима с длиной волны. Поэтому возникает дифракция света, в результате которой фотоны «растекаются» в прилегающие к активному слою области. Это явление резко уменьшает мощность, расширяет спектр и ухудшает направленность излучения. Лазер с гетероструктурой (в соответствии с рис. 4.15) кроме активного слоя, например, (GaAs) содержит слои, например, (AlGaAs), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещенной зоны активного слоя.

Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной области, и мощность излучения при томже токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличивается, Кроме того, показатель преломления активной области боль­ше, чем у гетерослоев. Поэтому при возникновении излучения в активной области возникает полное внутреннее отражение от ее границ, в результате чего подрастает и мощность, и направленность излучения. Как видно из рис. 4.15 верхний электрод ППЛ выполнен в виде узкой полоски.

Рис. 4.15. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой

Это превращает актив­ный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и содержит, в основном, одну моду, что позволяет применить этот лазер для возбуждения одномодовых OВ.

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все избыточные носители зарядов сосредоточиваются в ак­тивной средней области, их проникновение в эмиттер ничтожно мало. Положительную роль играет также волновой эффект, который способст­вует концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного среднего слоя структуры. В конечном итоге гетеролазеры по срав­нению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плот­ность тока и больший КПД, что, в свою очередь, позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

На рис 4.16 показана устройство лазера с распределенной обратной связью (РОС).

Рис. 4.16. Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью

Рис. 4.17. Распределение слоев в лазере с РОС

Распределение слоев в лазере с РОС иллюстрирует рис. 4.17. Как видно, из

рис. 4.17 в лазере используется волновод с выступами и впадинами в виде дифракционной решетки. Возможности лазерной генерации в волноводе с переодической структурой можно пояснить рассматривая рис. 4.18 а,б. Период решетки А, указанный на рис.4.18 а должен удовлетворять условиям Брегга. Должно выполнятся соотношение:

А =N∙λ₀/(2∙n_эф),

где λ₀ – длина световой волны в вакууме, n_эф – эффективный показатель преломления волновода, N – порядок дифракции. Световая волна, проходящая по такому волноводу, рассевается всеми точками дифракционной решетки. При

N = 1(первый порядок) рассеяние происходит в направлении распространения света и в противоположном, а при N = 2(второй порядок) – также и в перпендикулярном к предыдущему направлении. Во многих точках свет понемногу рассеивается в противоположных направлениях, но в целом получается рассеяние большой интенсивности. Схема, показанная на рис. 4.18 б., генерирует лазерные колебания с помощью распределенной обратной связи.

Материалы для лазеров с распределенной обратной связью – Al_xGa_1-x, In_xGa_1-x As_yP_1-y, PbSn_xTe_1-x и им подобные. Структуру дающую распределенную обратную связь, выращивают непосредственно на активном слое способом эпитаксии в жидком газе. На эпитаксильную пленку наносят фоторезист, а в качестве фотошаблона решетки используют картину интерференции лазерного света. Травлением делают выступы, и после этого изготавливают лазерную структуру, нанося сверху необходимые слои способом эпитаксии в жидкой фазе. Лазер со структурой, показанной на рис. 4.16, дает непрерывное излучение. В противоположность лазеру с дискретной обратной связью, часто дающему мультимодовое излучение, лазер с распределенной обратной связью дает одномодовое излучение, причем с более высокой селективностью длины волны. Кроме того, при изменении силы тока длина волны почти не меняется. В лазере с дискретной обратной связью длина волны определяется шириной энергетической щели, а следовательно, сильно зависит от температуры. В лазере с распределенной обратной связью длина волны определяется показателем преломления и от температуры практически не зависит.

Одно из применений распределенной обратной связи – это лазер, в котором такая система расположена с двух сторон активного слоя. Это лазер с распределенным брэгговским отражением.

Из – за того что в лазерах с распределенной обратной связью и с распределенным брэгговским отражением не используются для обратной связи плоскости спайности(эту функцию выполняет сам волновод), появляется возможность создания на одной подложке и волновода, и лазера. Такие структуры можно использовать в качестве источника света в оптических интегральных схемах.

а)

б)

Рис. 4.18. Лазерная генерация в волноводе с периодической структурой

В заключение отметим особенности гетеролазеров:

• используется эффект односторенней инжекции (из широкозонного в узкозонный полупроводник. Токи I_n>>I_p т.к. (∆E_П+∆E_В)/KT>>1);

• эффект «суперинжекции» Алферова (1966) – обеспечение концентрации инжектированных носителей в узкозонном ПП >> соотвествующей концентрации в широкозонном ПП (Узкозонный полупроводник – потенциальная яма);

• эффект оптического ограничения (n-узкозонного полпуроводника больше чем n - широкозонного);

• эффект «электронного» ограничения: используют дополнительные гетеропереходы препятствующие растеканию носителей за пределы активной области;

• эффект широкозонного окна: излучение свободно выводится за пределы через широкозонное окно т.к. не может там поглотиться.