Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Оптоэлектронные микро- и наноструктуры». Свистова Т.В

Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике можно получить, если рассмотреть полное число переходов с поглощением и испусканием фотонов. Если учитывать только переходы зона–зона, то число испущенных в результате индуцированного испускания фотонов будет превышать число поглощенных фотонов при выполнении условия

где Fn* и Fp* – квазиуровни Ферми для электронов и дырок, а Еg – ширина запрещенной зоны.

Это соотношение по существу определяет условие инверсии населенности в полупроводнике для переходов зона– зона. Его физический смысл вполне очевиден: для того чтобы обеспечить преобладание усиления за счет процессов вынужденного испускания над процессами собственного поглощения, необходимо создать такие избыточные неравновесные концентрации носителей в зоне проводимости и в валентной зоне, при которых расстояние между квазиуровнями Ферми будет превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. Это означает, что один или оба квазиуровня Ферми должны находиться внутри разрешенных зон, т. е. возбуждение должно быть настолько интенсивное, чтобы создать вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

В общем случае для любых типов излучательных переходов с испусканием фотонов ħω условие инверсии записывается в виде

Условия (4.1), (4.2) являются необходимыми, но не достаточными для получения усиления или генерации в системе в целом. Достаточным условием здесь, как и в прочих типах усилителей и генераторов, является превышение усиления над

39

всеми потерями. В полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон выполнение этого условия затруднено. Поэтому в подавляющем большинстве случаев для получения лазерного эффекта используются полупроводники с прямой структурой энергетических зон, в которых вероятность излучательных переходов существенно превышает вероятность неактивного поглощения на свободных носителях заряда. Необходимым условием достижения лазерной генерации является также наличие положительной обратной связи в системе. Как и в других типах лазеров, эта задача может быть решена с помощью открытых резонаторов. Наиболее широко в полупроводниковых лазерах используется плоский резонатор (резонатор Фабри–Перо), поскольку его удобно изготовить сколами по кристаллографическим плоскостям, перпендикулярным плоскости р-n-перехода лазерной структуры.

В инжекционном лазере для получения состояния с инверсией населенностей используется инжекция носителей заряда через р-n-переход, смещенный в прямом направлении. При достаточно большом напряжении, приложенном в прямом направлении, вблизи р-n-перехода возникает область с инверсной населенностью, как это показано на рис. 4.1 слева. При малых плотностях тока имеет место рекомбинационное излучение, связанное со спонтанными переходами. По мере возрастания плотности тока коэффициент усиления растет до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение, при котором возникнет лазерный эффект. В этом случае наблюдается резкое увеличение интенсивности и сужение спектра излучения лазерного диода.

Пороговое значение плотности тока может быть определено из соотношения

где L – длина резонатора, d – толщина активной области р-n-перехода; βω – показатель объемных потерь; B – коэффициент рекомбинации; ξ – коэффициент удержания света; R1 и R2 – коэффициенты отражения зеркал резонатора.

z

z

Рис. 4.1. Энергетические диаграммы, профиль показателя преломления n и распределение интенсивности электромагнитного поля Фω в диодах с гомоструктурой и двойной гетероструктурой

Пороговая плотность тока, как видно из (4.3), снижается по мере уменьшения размеров активной области d. В обычных р-n-переходах с гомоструктурой размер этой области в основном определяется диффузионной длиной инжектируемых носителей заряда и не может быть искусственно ограничен. Как видно из рис. 4.1, существует перепад показателя преломле-

41

ния в области объемного заряда, что приводит к некоторой локализации электромагнитного поля вследствие волноводного эффекта. Однако этот перепад невелик (менее 1 %) и практически не может управляться извне, поэтому его влияние на снижение порогового тока не столь существенно.

Использование гетеропереходов для создания инжекционных лазеров дает целый ряд преимуществ по сравнению с гомопереходами, особенно в случае использования двойных гетероструктур (ДГС-лазеры). Для изготовления гетеролазеров в основном применяются полупроводниковые соединения А3B5 и твердые растворы на их основе, в частности арсенид галлия и твердые растворы типа Ga1–xAlxAs. Диаграммы, поясняющие принцип и особенности работы таких лазеров, приведены на рис. 4.1 справа. Активная область инжекционного гетеролазера на основе арсенида галлия представляет собой тонкий слой GaAs с d ≈ 0,3 мкм. Электроны и дырки инжектируются в него из широкозонных N-Ga1–xAlxAs и P-Ga1–xAlxAs- областей, выполняющих функцию эмиттеров. Это позволяет создавать в активной области концентрацию избыточных носителей заряда, превышающую равновесную концентрацию этих носителей в широкозонном эмиттере (эффект сверхинжекции), что снимает необходимость сильного легирования эмиттера. Кроме того, имеются потенциальные барьеры, препятствующие диффузии инжектированных носителей из слоя

GaAs – возникает эффект электронного ограничения.

Важно, что у Ga1–xAlxAs показатель преломления существенно меньше, чем у GaAs, причем разница показателей преломления может достигать величины n ≈ – 0,4. Это означает наличие диэлектрического волновода, обеспечивающего сильную локализацию поля (эффект оптического ограниче-

ния). Таким образом, пороговый ток снижается не только за счет уменьшения толщины активной области, но и за счет уменьшения коэффициента потерь ξ, из-за того что ограничивается проникновение поля в соседние р - и n - области с

42

большими потерями. Оптимизация параметров гетероструктуры по электронному и оптическому ограничениям позволяет снизить величину порогового тока при комнатной температуре до значения jпор ≤ 1 кА/см2 по сравнению с jпор ≤ 100 кА/см2, характерного для гомоструктур. Для дальнейшего уменьшения jпор применяют структуры с раздельным электронным и оптическим ограничением (РО ДГС-лазеры), содержащие в активной области квантово-размерные наноструктуры (квантовые ямы и точки).

Рабочие характеристики инжекционных лазеров.

Электрические характеристики, выходная мощность и спектры излучения определяются особенностями конструкции и материалом активной области. Типичная вольт-амперная характеристика ДГС-лазера с широким контактом на основе приведена на рис. 4.2. Напряжение, при котором ток равен 1 мА, обычно составляет 1,1 - 1,2 В. Если при таком напряжении ток прямого смещения значительно превосходит 1мА, то это свидетельствует о наличии дополнительных паразитных каналов избыточного тока, приводящих к увеличению Jпор. Напряжение пробоя при обратном смещении зависит от уровня легирования. Характерное значение – около 6 В.

Рис. 4.2. Типичная вольт-амперная характеристика ДГС лазера с широким контактом

43