Устройство и принцип действия полупроводникового лазера с гетероструктурой
Лучшими технико-экономическими показателями обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры.
Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциальными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает одностороннюю инжек -
Цию 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 и 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 /»-«-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. Еще 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 СаА1Аз. Активный слой из р — ОэАб с узкой запрещенной зоной имеет, толшину значительно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями ОахА1|_хА5 с широкой запрещенной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску вытравливают в тонком слое 8Ю2, 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 (рис. 5.15), кроме активного слоя (например, ОэАб), содержит слои (например, АКЗаАз), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещенной зоны активного слоя. Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной области, и мощность излучения при том же токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличивается, Кроме того, показатель преломления активной области больше, чем у гетерослоев. В результате при возникновении излучения в активной области возникает полное внутреннее отражение от ее границ, что приводит к росту и мощности, и направленности излучения. Как видно из рис. 5.15, верхний электрод полупроводникового лазера выполнен в виде узкой полоски.
Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и в основном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одномодовых оптических волокон.
Рис. 5.15. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой: / — длина резонатора |
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, способствующий 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.