4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе

Существенное снижение пороговой плотности тока и, следовательно, получение непрерывной генерации при комнатной температуре возможно при использовании гетероструктур, которые могут быть изготовлены как одинарные, двойные или многократные. Гетероструктура возникает при наращивании монокристаллического слоя одного полупроводника на монокристаллической подложке другого полупроводника, т.е. при контакте двух различных по химическому составу и по ширине запрещенной зоны полупроводников. Такое наращивание без существенного нарушения монокристальности всего образца в целом возможно только для тех полупроводниковых материалов, кристаллические решетки которых почти не отличаются друг от друга. Обычно это осуществляется при изопериодическом замещении методом эпитаксиального роста. Примерами являются пары GaAs-Al_xGa_1-x As, GaAs-GaAs_xP_1-x,CdTe-CdSe и т.п.

Односторонние гетероструктуры (ОГС) являются комбинацией р - п – перехода и гетероперехода, расположенного вблизи р - п – перехода. ОГС создается гетероэпитаксиальным наращиванием с последующей диффузией примеси в подложку для образования р - п – перехода. Например, в ОГС на основе арсенида галлия на подложку с электронной проводимостью наращивается слой Al_xGa_1-x As р – типа с более широкой запрещенной зоной, чем у GaAs. Акцепторы, диффундирующие из этого слоя в подложку, образуют активный р – слой в GaAs. При толщине этого слоя около 2 мкм р - р – гетеропереход эффективно влияет на распределение инжектированных электронов, препятствуя их диффузионному растеканию от р - п – перехода. В результате потенциальный барьер в р - р – гетеропереходе ограничивает объем активной области, т.е. создается эффект «электронного ограничения», что снижает пороговую плотность тока при комнатной температуре до 10⁴ А/см².

Двусторонняя гетероструктура содержит два гетероперехода: один инжектирующий, другой – ограничивающей диффузионное растекание носителей тока. Активная область заключена между гетеропереходами.

Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис.4.5. приведен пример лазерной структуры с двойным гетеропереходом в GaAs.

Рис.4.5. Схема диода п/п лазера с двойным гетеропереходом. Активная

область заштрихована.

В этом диоде реализованы два перехода между различными материалами [Al_0,3Ga_0,7As(р) – GaAs и GaAs – Al_0,3Ga_0,7As(n)]. Активная область представляет собой тонкий слой GaAs (0,1- 0,3 мкм).

В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной температуре можно уменьшить примерно на два порядка (т.е. 10³ А/см²) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшению пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов: 1) Показатель преломления GaAs (n₁ 3,6) значительно больше показателя преломления Al_0,3Ga_0,7As (n₁ 3,4), что приводит к образованию оптической волноводной структуры (рис.4.6,а). Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т.е. в области, в которой имеется усиление. 2) Ширина запрещенной зоны Е_g1 в GaAs (1,5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны Е_g2 в Al_0,3Ga_0,7As (1,8 эВ). Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (рис.4.6,в). Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление.

Рис.4.6. а-профиль показателя преломления; б- поперечное сечение пучка; в-зонная структура полупроводника с двойным гетеропереходом, используемом в диодном лазере.

3) Поскольку Е_g2 значительно больше, чем Е_g1, лазерный пучок с частотой Е_g1 / h почти не поглощается в Al_0,3Ga_0,7As. Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в р-, так и в n-области (рис.4.6,б), не испытывают там сильного поглощения.

Длина волны излучение лазера с двойным гетеропереходом на GaAs ( =0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором мы имеем минимум потерь в оптическом волокне из плавленого кварца (первое окно пропускания). В настоящее время усиленно разрабатываются лазеры с двойным гетероструктурой, работающие на длине волны либо 1,3 мкм, либо 1,6 мкм, на которых наблюдается два других минимума потерь оптического волокна (второе и третье окна пропускания), поскольку потери в этих минимумах существенно меньше. Здесь наибольший интерес в качестве активной среды представляет четырехкомпонентный сплав In_1-xGa_xAs_yP_1-y, где р- и n-области переходов выполняются из бинарного соединения InP. В этом случае добавляется новое условие, которому необходимо удовлетворить: постоянная решетка четверного сплава должна совпадать с постоянной решеткой InP (с точностью порядка 0,1%). Если это условие не выполняется, то слой четверного сплава, эпитаксиально выращенный на подложке из InP , приведет достаточно сильным напряжениям, который рано или поздно разрушает переход. Если выбрать значения параметров x и y четверного сплава таким образом, чтобы y 2,2 x, то решетка четверного сплава согласуется с решеткой InP. Выбирая соответствующим образом x, можно получить длину волны излучения в диапазоне 0,92-1,5 мкм.

Рис.4.7.Ватт-амперная характеристика полупроводникового лазера

Гетероструктуры для создания полупроводниковых инжекционных лазеров были предложены Ж.И. Алферовым, которые были реализованы под его руководством в 1968 году.

Для технических применений (лазерное печатающее устройство, лазер для записи на оптический диск, лазер для оптической связи и т.д.) разработаны лазеры специальной конструкции. Самыми распространенными типами являются:

1. Полосковый лазер – полупроводниковый лазер, в котором область генерации выполнена в виде полоски, конструкция которого обеспечивает уменьшение рабочего тока и осуществление селекции поперечных мод.

2. Лазер с распределенной обратной связью (РОС –лазеры)-лазер, в котором вместо резонатора Фабри - Перо используется распределенная обратная связь с периодически изменяющимся показателем преломления вдоль пути света, причем периодическая структура находится в p-n -переходе кристалла.

3. Лазер с распределенным брэгговским отражением, принцип работы которого также как у РОС-лазеров, но отражающая периодическая структура находится вне p-n перехода кристалла.

4. Двухрезонаторный лазер-это полупроводниковый лазер, в котором вокруг активной области полупроводниковой структуры ставится одно или два зеркала. Зеркало совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.