2.3. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры обеспечивают наилучшую совместимость с микроэлектронными устройствами. Первые полупроводниковые лазеры были созданы в 1962 г. В на­стоящее время применяются в основном два типа полупро­водниковых лазеров. Наиболее распространены инжекционные лазеры, лазерная активная среда в которых возника­ет в результате инжекции свободных носителей заряда р-п перехода. Перспективны также полупроводниковые лазеры с электронной накачкой, в которых генерация ко­герентного излучения происходит в процессе воздействия на полупроводник потока электронов высокой энергии. В инжекционных лазерах используются люминесцирующие полупроводники с прямыми переходами, обмен носителями в которых между минимумом зоны проводимости и валент­ной зоной характеризуется высокой вероятностью. Иными словами, излучательная рекомбинация свободных дырок и электронов (переходы зона—зона) протекает в таких ве­ществах интенсивно.

Лазерное усиление в полупроводниках.

Свойства полупроводниковых лазеров тесно связаны со структурой полупроводников, из которых изготовлены излучатели лазе­ров. Атомы полупроводников характеризуются стационар­ными состояниями, соответствующими определенным значе­ниям энергии. Каждому такому состоянию соответствует определенная конфигурация электронных оболочек атомов. В полупроводнике внешние (валентные) электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются. В ре­зультате валентные электроны как бы освобождаются от оболочки: электроны, находящиеся на определенном энер­гетическом уровне одного атома, могут переходить без за­траты энергии на соответствующий уровень соседнего атома, свободно перемещаясь внутри полупроводника. Вместо индивидуальных атомных орбит образуются кол­лективные, и подоболочки отдельных атомов объединяют­ся в зоны. Таким образом, дискретные электронные уров­ни изолированных атомов полупроводника в результате взаимодействия расщепляются в относительно широкие зо­ны разрешенных значений энергии, разделенных запрещен­ными зонами. Каждая разрешенная зона образуется из большого числа уровней, равного количеству атомов в полупроводнике. При ширине зоны около 1эВ расстояние между соседними уровнями в разрешенной зоне ~ 10^-22 эВ. Поэтому зоны можно рассматривать как сплош­ные полосы.

Излучение в полупроводниках характеризуется тем, что в процессе взаимодействия принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны с конечным количеством уровней: зона проводимости и валентная зона. При этом испускание фотона произойдет только тогда, когда в зоне проводимости имеется электрон, а в валентной зоне одно­временно дырка.

Условием усиления излучения является превышение скорости излучения над скоростью поглощения; v_изл>v_погл.

Тогда условие инверсии населенностей при прямых межзониых переходах, т. е. условие возможности лазерного усиления в полупроводнике будет имеет вид

E_Fn – E_Fp > E_c – E_v (11)

В инжекционных лазерах инверсия населенности дости­гается при высоких уровнях инжекции. При этом для вы­полнения условия (4.15) материал хотя бы одной из обла­стей (р или п) должен быть вырожденным.

р п р п

Рис.4. Энергетические диаграммы р-п перехода

На рис.4 приведены энергетические диаграммы р-п перехода инжекционного лазера в состоянии термического равновесия (при отсутствии смещения на р-п переходе) — рис. 4,а и в ре­жиме лазерного усиления (при прямом смещении на р-п переходе и плотности тока выше пороговой)—рис. 4,6.

В полупроводниковом лазере наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие механизмы рекомби­нации, которые не дают излучения (безызлучательная рекомбинация). К таким механизмам относят рекомбина­цию на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударную Оже-рекомбинацию и др. В случае безызлучательной рекомбинации свободного носителя происходит выде­ление фотона с очень малой энергией. Для генерации ко­герентного полезного излучения такой носитель потерян. Очевидно, что эффективность лазера тем выше, чем больше доля актов излучательной рекомбинации по сравнению с безызлучательной.

Независимо от механизма рекомбинации длина волны излучения определяется выражением

λ= 1,23/Е_з (12)

где Е_з- ширина запрещенной зоны.

Тогда условие излучения прямозонного полупроводника имеет вид

hν ~ E_з (13)

Для этого инжектируемые (возбуждаемые) носители (электроны) должны получать от электрического поля до­статочную энергию, т. е. должно выполняться неравенство

U_p-n>E_з/q (14)

где U_{p- п} - прямое напряжение на р-п переход.

Таким образом условие (14) наряду с (11) показы­вает, что лазерный эффект достигается только в вырож­денных полупроводниках.

Инжекционные лазеры.

Роль оптического резона­тора в инжекционных лазерах играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярных плоскости р-п пере­хода. При протекании через р-п переход достаточно боль­шого прямого тока возникает когерентное излучение.

Первые инжекционные лазеры были созданы на арсениде галлия. Типичный лазер на GaAs изготавливается в фор­ме прямоугольного параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до миллиметра (рис.5).

Рис. 5. Инжекционный полу­проводниковый лазер

В конструк­ции такого лазера имеются:

1—полированные торцевые поверхности;

2—р-область;

3 - п-область;

4 - электриче­ские проводники;

5 - молибденовая пластина, покрытая слоем золота;

6 - область р-п перехода (заштрихована).

Две боковые грани (торцы) служат зеркалами опти­ческого резонатора лазера. Показатель преломления GaAs достаточно велик, и от полированных торцов, не имеющих дополнительного покрытия, отражается примерно 35% па­дающего излучения. Две дру­гие торцевые грани, перпенди­кулярные плоскости р-п пере­хода, немного скошены, как показано на рис.5. Это сде­лано для того, чтобы между этими гранями генерация излу­чения не возникала.

При низких температурах инжекционные лазеры на GaAs могут работать как в импульсном, так и в непрерыв­ном режиме, а при комнатной температуре только в им­пульсном режиме. Процесс возникновения генерации в ла­зере зависит от плотности тока инжекции J. При подаче на р-п переход прямого напряжения с ростом возрастает разность между электронным и дырочным квазиуровнями Ферми E_Fn - E_Fp. Образующиеся при рекомбинации носи­телей фотоны имеют различную энергию и произвольное направление распространения. Среди фотонов есть и та­кие, которые распространяются в плоскости р-п перехода. Сталкиваясь с возбужденными электронами и отражаясь от зеркал резонатора, они вызывают вынужденное излуче­ние ( рис.2). Количество таких фотонов увеличивает­ся с ростом прямого напряжения и соответственно плотно­сти тока через р-п переход. Когда J достигает некоторой пороговой плотности тока J_пор, выполняется условие инвер­сии населенностей. В результате количественные изменения процесса — рост вынужденного излучения — переходят в новое качество—режим генерации излучения. При этом происходит резкое сужение спектральной характери­стики излучения (рис.6) и улучшается диаграмма на­правленности излучения (рис.7). Излучение становится когерентным. В инжекционных лазерах /пор составляет 10³- 10⁴ А/см² (T=300 К).

Рис. 6. Спектральная харак­теристика излучения лазера в режимах генерации и отсутст­вия ее

Рис. 7. Диаграмма направ­ленности излучения лазера в режиме генераци

Наряду с пороговой плотностью тока важными параме­трами лазера являются квантовый выход и КПД. Внешний квантовый выход равен отношению числа фотонов N _изл, излучаемых в единицу времени во внешнюю среду, к числуэлектронно-дырочных пар, прошедших за это время через р-п переход (N_{p -n}):

η = η_b η_o ( N_изл/N_p-n ) (15)

где η_b - внутренний квантовый выход; η_o - оптический вы­ход.

В зависимости от концентрации примесей в однородном полупроводниковом материале р- и п-типов в арсениде галлия, например, наблюдаются четыре типа излучения (или, как говорят, четыре линии излучения).

Первый тип обусловлен переходом свободной дырки в зону проводимо­сти или на мелкий донорный уровень,

второй — переходом свободного электрона на акцепторный уровень,

третий — переходом с донорного уровня на акцепторный и, наконец,

четвертый — переходом с донорного уровня в валентную зону.

Третий тип излучения (вызываемый переходом с до­норного уровня на акцепторный) -это основной тип излу­чения в материале р-типа.

В инжекционных лазерах на GaAs источником излуче­ния обычно является р-область. В этом случае линии излу­чения аналогична основной линии излучения в однородном материале р-типа (третья линия).

Работа лазера сильно зависит от температуры, измене­ние которой приводит к сдвигу спектра излучения полу­проводникового лазера. С одной стороны, это происходит в результате изменения показателя преломления материа­ла лазера и, следовательно, собственной частоты резона­тора. С другой—спектр излучения сдвигается в резуль­тате сдвига вершины линии люминесценции.

От температуры также существенно зависит такой важ­нейший параметр лазера, как плотность порогового тока. На рис.8 показана температурная зависимость плотности порогового то­ка J _пор для ннжекционных лазеров различных типов. Для лазеров на основе диффузионных или эпитаксиальных р-п переходов J _пор в области комнатных температур могут отли­чаться в несколько раз и составляют (2— 5). 10⁴ А/см² (кривые 1,2). Это не позволяет, в частности, получить для таких лазеров непрерывную гене­рацию при комнатной температуре. Снизить J_пор (кривые 3, 4) и сущест­венно улучшить эффективность ин-жекционных лазеров удалось при переходе к гетерогенной структуре р-п перехода.

Рис.8. Температур­ная зависимость плотности порогового тока

Лазеры с гетерогенной структурой.

Энергетические диаграм­мы гетероструктур характеризуются различными потенциаль­ными барьерами для встречных потоков дырок 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 я 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.

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все избыточные носители заряда сосредоточиваются в ак­тивной средней области, их проникновение в эмиттер ничтожно мало.

Положительную роль играет также волноводный эффект, который спо­собствует концентрироваиию 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.

Наиболее перспективны инжекционные лазеры с многослойной гетероструктурой. На рис. 4.9 изображен лазер с двойной гетероструктурой (ДГС-лазер) и полосковой геометрией электрода. Для лучших образцов ДГС-лазеров на основе GaAs— GaAlAs удалось при комнат­ной температуре получить J_пор<10³ А/см², что почти на два порядка меньше, чем для гомогенных лазеров.

Рис.9. Инжекционный лазер с ДГС-структурой

Лазеры с электрон­ной накачкой.

Кроме инжекционных лазеров применяются также полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. При этом на полупроводник воздействует поток электронов высокой энер­гии (десятки и сотни килоэлектрон-вольт). Электроны накачки, проникая в глубь кристалла, возбуждают электроны валентной зоны и часть их переходит на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. Эти возбужденные электроны, в свою очередь, пе­редают энергию другим атомам решетки — возникает лавина, ослабе­вающая по мере удаления от поверхности в глубь полупроводника.

Рис. 10. Полупро­водниковый лазер с электронной накач­кой

1 - когерентное излуче­ние; 2 -отражающие поверхности; 3 -подложка; 4 -полупроводник;

5 - поток электронов.

Конструктивно полупроводниковый лазер с электронной накачкой выполняется в виде электронно-лучевой трубки (рабочее напряжение десятки киловольт), в которую помещается полупроводник.

Поток электронов с энергией 20 кэВ и более направляется на плоскую грань полупроводникового образца. В тон­ком поверхностном слое полупроводника электронный поток создает большое число электронно-дырочных пар (примерно 10 пар на один электрон). Образующиеся носители собираются у дна зоны проводимо­сти (электроны) и потолка валентной зоны (дырки) и рекомбинируют. Когерентное излучение выходит из полупроводниковой пластины в пло­скости, перпендикулярной направлению потока электронов. Грани образ­ца (отражающие поверхности) служат зеркалами открытого лазерного резонатора. Толщина активного слоя при электронной накачке зависит от энергии электронов и может достигать десятых долей миллиметра.

Показанный на рис.10 способ накачки лазера, при котором электронный поток ориентирован перпендикуляр­но оси оптического резонатора лазера, назы­вается поперечной накачкой. Существует так­же продольная накачка: электронный поток ориентирован вдоль зеркал оптического резо­натора лазера. Электронная накачка позволя­ет изготовить лазерные системы с мощностью излучения в импульсе до 1 МВт.

Принципиальные недостатки лазеров с электронной накачкой ограничивают область применения этих приборов. К таким недостат­кам следует отнести наличие объема с высо­ким вакуумом, большие габариты, низкую эффективность (из-за двойного преобразова­ния энергии общий КПД не превышает 1%), сложность и громоздкость системы питания (ее объем и масса в де­сятки раз превышают объем и массу собственно лазера). Тем не менее для проекционного широкоформатного цветного телевидения (с пло­щадью экрана до 10 м²), для сверхскоростных систем вывода инфор­мации ЭВМ, быстродействующих голографических запоминающих устройств, генераторов импульсов излучения с длительностью10^-12 с. лазер с электронной накачкой оказывается наиболее приемлемым источником излучения.