120) Гетеролазеры на основе структур с квантовыми ямами и квантовыми точками.

Лазеры на квантовых ямах.

Квантовые структуры используются для создания лазеров. Уже сегодня эффективные лазерные устройства на квантовых ямах дошли до рынка и применяются в волоконно-оптических линиях связи. Для работы любого лазера необходимо создать инверсную населенность энергетических уровней. То есть, на более высоком уровне должно находиться больше электронов, чем на низком, в то время как в состоянии теплового равновесия ситуация обратная. Каждому лазеру необходим оптический резонатор или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме.

Для того чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт электроны поступают в зону проводимости. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты, то есть порции электромагнитного излучения (рис. 3). Затем через валентную зону носители тока должны уходить на другой контакт.

Частота излучения  определяется условием (4),

где  и – энергии первых энергетических уровней соответственно в зоне проводимости и валентной зоне, E_g – ширина запрещенной зоны.

Рис. 3 - Энергетическая схема лазера на квантовой яме другой контакт

Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно сконцентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель преломления внутренних слоев должен быть больше, чем внешних. Внутренняя область играет роль волновода. На границах этого волновода нанесены зеркала, которые образуют резонатор.

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Так, при уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов  в зоне проводимости и  в валентной зоне увеличиваются и, согласно формулам (3) и (4), частота, генерируемая лазером, возрастает. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным.

Лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, чем другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии – до 60% электрической мощности преобразуется в свет.

Преимущества лазера на квантовых точках по срав­нению с лазером на квантовых ямах можно условно разделить на физические и технологические. Физиче­ские преимущества обусловлены в основном δ-образным спектром плотности состояний и гигантской силой ос­циллятора оптических переходов на единицу объема КТ, обусловленную эффективным перекрытием волно­вых функций электрона и дырки из-за их простран­ственной локализации. К таким преимуществам отно­сят сверхвысокую температурную стабильность порого­вой плотности тока [77,100], гигантские коэффициенты максимального удельного усиления материала (material gain) и максимального дифференциального усиления ма­териала (differential gain), на два-три порядка превы­шающие аналогичные значения для лазера на кванто­вых ямах [101–104].

К преимуществам лазеров на КТ можно также отнести малое время заселения основного состояния и, соответственно, высокие рабочие часто­ты. К технологическим преимуществам можно отнести отсутствие или подавление диффузии неравновесных носителей, что приводит к уменьшенному растеканию неравновесных носителей из области полоска, подавле­нию безызлучательной рекомбинации на точечных и протяженных дефектах и, соответственно, подавлению эффекта роста дислокаций, а также подавлению эффекта перегрева зеркал за счет поверхностной рекомбинации. Кроме того, упорядоченный массив квантовых точек, расположенный в оптическом волноводе, может приво­дить к распределенной обратной связи и одномодовой генерации. В случае вертикально излучающих лазеров имеется принципиальная возможность создания лазера на одной квантовой точке, что позволяет избежать неод­нородного уширения, характерного для ансамбля кванто­вых точек, и полностью реализовать преимущества трех­мерного квантования. Рабочие характеристики лазеров на КТ, полученных различными методами, исследовались в работах [100–113].

Характеристики лазеров на квантовых точках

В работе [100] исследовались характеристики лазера, содержащего одиночную плоскость с квантовыми точка­ми InGaAs в активной области. При низких температурах лазерная генерация начинается при энергиях, близких к максимуму пика фотолюминесценции, указывая на то, что за лазерную генерацию ответственны переходы через основное состояние квантовых точек. С повышением температуры пороговая плотность тока практически не изменялась, сохраняя свое значение 80А/см² до темпе­ратур порядка 180 K. Если аппроксимировать темпера­турную зависимость пороговой плотности тока выраже­нием вида J = J₀ exp(-T /T₀), то в этом температурном диапазоне T₀ = 380K, что выше теоретического предела для лазеров на квантовых ямах. При этом длина волны генерации находится вблизи максимума пика ФЛ и ЭЛ при слабом уровне возбуждения. При повышении темпе­ратуры свыше 180 K пороговая плотность тока начинала расти, что совпадает с уменьшением интегральной ин­тенсивности фотолюминесценции с энергией активации ∼ 80-90 мэВ. Данная величина хорошо согласуется с энергией локализации дырок в квантовых точках и указывает на то, что причиной роста пороговой плот­ности тока является недостаток усиления, связанный с термическим выбросом носителей из квантовых точек. Эффект насыщения усиления сопровождается сдвигом длины волны генерации в коротковолновую сторону, соответствующую области излучения возбужденных со­стояний квантовых точек и смачивающего слоя InGaAs.

Таким образом, инжекционные лазеры на квантовых точках демонстрируют низкие значения пороговой плот­ности тока и рекордную температурную стабильность при низких температурах в соответствии с теоретически­ми предсказаниями. Однако недостаточная энергия лока­лизации носителей приводит к сильной температурной зависимости пороговой плотности тока при температу­рах вблизи комнатной.