10.3.     Полупроводниковый инжекционный лазер на гомопереходе, устройство, применение

 Лазером    называют квантовый генератор или усилитель электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс генерации в лазере происходит благодаря усилению в активной среде (веществе  с инверсией населенностей уровней) и наличию положительной обратной связи.

Рис. 10.10  Энергетическая диаграмма

 В инжекционных лазерах используется p-n-переход, образованный вырожденными полупроводниками с разным типом электропроводности. На рис. 10.10,а показана энергетическая диаграмма такого p-n-перехода в состоянии равновесия, т.е. при отсутствии внешнего напряжения, а следовательно, и тока через переход. Уровни Ферми W_Fn  и W_Fp в обеих областях совпадают. Приближенно можно считать, что в n-области электроны проводимости располагаются на уровнях между «дном» зоны проводимости W_пр и уровнем Ферми W_Fn, а в р-области дырки - между «потолком» валентной зоны W_в и уровнем Ферми W_Fр.

Энергетическая диаграмма для случая, когда к p-n-переходу приложено прямое напряжение u₀, показана на рис. 10.10,б. Понижение потенциального барьера на величину U₀ увеличивает поток электронов из n-области и поток дырок из р-области через переход. Через p-n-переход потечет ток, и вблизи перехода установится некоторое распределение концентрации неравновесных носителей заряда.

Известно, что при неравновесном состоянии теряет смысл понятие уровня Ферми. Однако для определения полной концентрации носителей в неравновесном состоянии можно воспользоваться прежними формулами, если вместо уровней Ферми ввести квазиуровни Ферми для электронов и дырок. Вдали от перехода (см. рис. 10.10,6), где сохраняется равновесное состояние, применимы обычные уровни Ферми W_Fn и W_Fp. В области перехода, где имеются неравновесные носители, существуют два квазиуровня Ферми -для электронов W'_Fn и для дырок W'_Fр. Обычно предполагают, что в пределах перехода до пересечения линии W_Fn с границей зоны проводимости величины W_Fn и W'_Fn мало отличаются. Аналогичное предположение делают и для уровней W_Fp и W'_Fp. Далее кривая квазиуровня электронов W'_Fn опускается и сливается с уровнем Ферми W_Fp. Соответственно кривая квазиуровня для дырок W'_Fр поднимается и сливается с уровнем Ферми W_Fn.

В некоторой области перехода с шириной δ одновременно велико число электронов проводимости в группе уровней ΔW _пр и дырок в группе уровней ΔW_в . Поэтому в области δ распределение носителей зарядов подобно распределению их на рис. 10.10, и в ней можно получить инверсную населенность. В этой области перехода наблюдается наиболее интенсивная излучательная рекомбинация электронов и дырок, так как скорость рекомбинации пропорциональна произведению концентраций электронов и дырок, а они в рассматриваемой области велики. Рекомбинация электронов и дырок в переходе сопровождается спонтанным излучением с энергией, большей ширины запрещенной зоны hv > δ W₀.

С увеличением внешнего напряжения u₀ растут концентрации электронов и дырок в области δ перехода и, следовательно, увеличивается инверсия населенностей. При некотором пороговом напряжении (пороговом токе), когда вынужденное излучение, вызванное спонтанным излучением, достаточно для компенсации потерь света в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступит генерация. Таким образом, p-n-переход при малых токах является источником спонтанного (рекомбинационного) излучения (светодиод), а при токах более порогового - источником когерентного излучения (лазер).

Пороговое значение тока сильно зависит от температуры и концентрации примесей. Понижение температуры облегчает вырождение полупроводника и, следовательно, уменьшает пороговый ток. Лазеры на арсениде галлияна гомопереходах обычно работают при температуре жидкого гелия 4,2 К или жидкого азота 77 К. В настоящее время появились инжекционные лазеры, работающие при комнатной температуре. Экспериментально установлено, что изменение температуры от 4,2 К до комнатной может привести к увеличению плотности порогового тока до 100 раз. При комнатной температуре необходима плотность порогового тока до 10⁵ А/см².

Широкое распространение получил инжекционный лазер на основе вырожденного арсенида галлия (GaAs), конструкция которого показана на рис. 10.11. Две грани полупроводника перпендикулярны плоскости p-n-перехода и образуют после полировки зеркала резонатора. Две другие грани наклонены к плоскости р-n-перехода, чтобы не создавать в этом направлении условий для самовозбуждения. Размеры сторон полупроводника порядка нескольких десятых долей миллиметра. Излучение выходит из узкой области p-n-перехода перпендикулярно параллельным граням полупроводника.

Излучение инжекционного лазера имеет большую угловую расходимость вследствие дифракционных явлений в резонаторе. Пустьтолщина области p-n-перехода, в которой происходит генерация, δ = 1 мкм, а расстояние между зеркалами L = 0,1 мм. Оценки показывают, что для этого примера угловая расходимость составляет 5. . .6°. Однако в другой плоскости (в плоскости p-n-перехода) угловая расходимость значительно меньше (примерно 1°) из-за большего размера области излучения.

Спектр излучения инжекционного лазера зависит от выходной мощности, которая, в свою очередь, определяется плотностью тока через p-n-переход. Когда плотность тока незначительно превышает пороговую плотность тока, имеется только одна мода с шириной линии излучения около 0,05 нм и длиной волны λ = 0,84 мкм, соответствующей ИК-диапазону. С ростом плотности тока число мод увеличивается. Частота генерируемых мод зависит от температуры, так как последняя влияет на коэффициент преломления кристалла и ширину запрещенной зоны. При изменении температуры возможен «перескок» от одной моды к другой. Поэтому долговременная стабильность частоты оказывается гораздо меньше, чем у газовых лазеров. Следует отметить, что излучение инжекционных лазеров поляризовано.

Рис. 10.11. Конструкция инжекционного лазера на основе вырожденного арсенида галлия

 Обычно инжекционные лазерына гомопереходах работают в импульсном режиме, при этом максимальная мощность в импульсе ограничивается перегревом кристалла и зависит от рабочей температуры и длительности импульса. Наибольшая импульсная мощность при температуре жидкого азота в лазерах на GaAs составила 100 Вт при длительности импульсов примерно несколько микросекунд и частоте следования до 10 кГц. Основным достоинством инжекционных лазеров является возможность модуляции излучения изменением напряжения на р-n-переходе.

Коэффициент полезного действия полупроводникового лазера η, определяемый как отношение мощности генерируемого излучения к мощности накачки, в первом приближении может быть определен формулой

где η_внутр - внутренний квантовый выход рекомбинационного излучения. Он учитывает то, что не все электроны рекомбинируют с излучением кванта света (излучательная рекомбинация), а часть электронов рекомбинирует без излучения кванта света (безызлучательная рекомбинация). Отношение ΔW₀/qU₀ учитывает то обстоятельство, что энергия полученного кванта света приблизительно равна ширине запрещенной зоны ΔW₀, а энергия, которую нужно затратить, чтобы ввести из внешней цепи электрон и дырки, равна qU₀. Правильный выбор степени легирования и использование чистых материалов позволяет получить η_внутр близким к единице, поэтому КПД инжекционных лазеров теоретически должен быть также близким к единице. У реальных лазеров он меньше. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, часть электронов, двигающихся в р-n-переходе, вследствие большой длины свободного пробега проходит активную  область, не участвуя в создании вынужденного излучения. Во-вторых, генерируемое световое излучение распространяется не только в активной области, но и рядом с ней, где отсутствует инверсия населенностей, и, следовательно, происходит поглощение излучения. Кроме этих причин имеется потеря мощности источника питания, связанная с прохождением тока через области и контакты. Тем не менее у лазеров, изготовленных из арсенида галлия, при охлаждении жидким азотом получен КПД 70...80 %.

Особенностью полупроводниковых лазеров является сильная зависимость от температуры КПД и мощности. Это объясняется рядом причин. Во-первых, с ростом температуры растет доля безызлучательной рекомбинации, что приводит к снижению η_внутр, во-вторых, снижается разность населенностей уровней.

Полупроводниковые лазеры имеют высокий КПД, малые размеры, возможность легкой модуляции до очень высоких частот. Однако они, как правило, требуют охлаждения, имеют широкий спектр излучения и большой угол расходимости.

Особое место занимают лазеры в области связи. Инжекционные лазеры находят применение  в "коротких" открытых линиях связи и в волоконно-оптических линиях.