Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Полупроводниковые слои, способные к генерации лазерного излучения, реа- лизуются в разных формах: е как гомоструктура, ° как гетероструктура, ° в виде квантовых барьеров (или квантовых ям) и квантовых точек (англ. г)иапгцш ве!1 и циапгцш г)оГ). Эти слои, в свою очередь, используются для создания разных типов лазеров, среди которых можно выделить: — лазеры с краевым излучением: ° лазерные диоды с одной поперечной модой, ° волноводные лазеры ребристой структуры (англ.
г!две чаче яиЫе!азег), ° трапецеидальные усилители (англ. гарегед агпр1!Вег), ° лазеры с обратной связью (Е)РВ= англ, б!згпЬи!ед ГеедЬас)г 1азег), ° лазеры с отражателем Брэгга (13ВВ = англ. б!з!пЬшед Вгадд гейес!ог 1азег), ° широкополосные лазеры, ° одномерные лазерные матрицы или стержни (англ. Ьаг); ° двухмерные лазерные матрицы или пакеты (англ.
з!асй) — лазеры с поверхностным излучением и вертикальным резонатором (ЧСБЕЬ = = англ. чег!!са! саг!гу зцггасе еш!!!!пя 1азег). 1О.Е У д д р — . ру ~р (8~~3) Наряду с диодными исполнениями существуют еще полупроводниковые лазеры, у которых возбуждение осуществляется посредством оптической накачки либо путем бомбардировки высокоэнергетическими электронами. Они тоже способны генерировать длины волн в видимой и ультрафиолетовой областях спектра до менее чем 400 нм.
Но, поскольку лазеры такого типа пока не имеют серьезного технического применения, они здесь рассматриваться не будут. У квантовых каскадных лазеров диодные структуры также не находят применения для создания инверсии населенностей. С технологической точки зрения они весьма близки к диодным лазерам. Их возбуждение осуществляется на основе прямой инжекции потока электронов в верхние лазерные состояния тонких полупроводниковых слоев. 10.1.
Усиление света в диодах р — и-структуры В полупроводниках энергетические состояния электронов представлены не как состояния с определенной энергией — по типу газов, а выражены посредством широких полос. В проводниках с дырочной электропроводностью возникают положительные дырки в нижней полосе (валентной зоне 1'В). Напротив, у проводников с электронной электропроводностью электроны внедряются в верхнюю полосу (зону проводимости А1)) (рис.
10.1). Положительные дырки р и подвижные электроны и формируются акцепторными и, соответственно, донорными атомами с концентрацией, например, > 1Он см '. Энергетические уровни непрерывных зон почти до энергии Ферми Г и Г заняты электронами и, соответственно, дырками. Поскольку используется сильное легирование, энергия Ферми находится прямо в зонах, а не между ними, как при слабом легировании. Если проводники с дырочной электропроводностью (и-типа) и проводники с электронной электропроводностью (и-типа) привести в тесный контакт, получится диод р — и-структуры — основной элемент полупроводникового диодного лазера.
Электроны до тех пор диффундируют в зону с дырочной электропроводностью, а дырки — в зону с электронной электропроводностью, пока образующийся объемный заряд и разность потенциалов И ( т (Л",)у,') 1п (!0.1) е ~ и, не достигнут уровня совпадения энергий Ферми в проводниках с электронной и дырочной электропроводностью, причем Лг и Лг означают плотности акцепторов и доноров в проводнике с дырочной и, соответственно, в проводнике с электронной электропроводностью, а и, есть относительная низкая, термически генерируемая плотность электронов в нелегированном полупроводнике при температуре Т; при этом 1г есть константа Больцмана, е — элементарный заряд (заряд электрона). Показанная на рис. 10.1 пространственная зависимость потенциала Ии плотности заряда р вытекает из уравнения Пуассона (е, = постоянная электрического поля, е = относительная диэлектрическая проницаемость): — 02Р'/3х' = р/ае,.
(10.2) (~В4 г тая гг и г а) и О в О О. в и О. в Х Легированный примесями и-типа ~с Легированный примесями р-типа Е ОЗ н и в О с и б) Ввктор — м в) та н й О а и в н в и О О пт тО и т в в О в О в Рис. 10.1. Конструкция диодного лазера (гомоструктура) в виде р — п-перехода при сильном легировании.
(в) энергетические уровни раздельных полупроводниковых зон с сильным легированием примесями п- и р-типа, ЕВ = ширина запрещенной зоны, Гс и Ев = энергия Ферми проводников с электронной (и) и, соответственно, дырочной (р) электропроводностью (п- и р-типа), ЕВ, т!Р = зона валентности и зона проволимости. )В) Если зоны с электронной и, соответственно, лырочной электропроводностью находятся в контакте, электроны диффунаируют в зону с дырочной электропроводностью, а дырки — в зону с электронной электропроводностью. В результате имеет место плотность объемного заряда р и )в) происходит повышение энергии электронов в зоне р-типа с разностью потенциалов тгР, ограничивающей диффузию (Г = полная энергия Ферми) Если напряжение (т'укладывается в пор!шок величин ширины запрещенной зоны (е(1= Е,) в направлении пропускания диода, то разность потенциалов между двумя энергетическими зонами сокращается.
Возникают потоки электронов и положительных дырок в противоположных направлениях. Свободные электроны в зоне проводимости дрейфуют в зону с дырочной электропроводностью (р), а положительные дырки в валентной зоне — в зону с электронной электропроводностью (л), причем электроны обладают большей подвижностью. В результате образуется узкая зона с инверсией населенностей (рис. 102). Толщина тт определяется преимущественно через постоянную диффузии 2) электронов в слое, легированном примесями р-типа, и время рекомбинации т: .
Для СВАВ получают с Ю = 10 смт/с и т = 10-' секунд толщину с(=1 мкм. В этой узкой полосе возможны усиление света и генерация лазерного излучения. В лазерах с гетероструктурой и потенциальной ямой светоизлучаюшая зона еше меньше. 10.2. 7 р е Аи ! Я А Р 1,В~~5) а) Ес п б) Рис. 10.2.
Генерация излучения (фотоны с энергией Щ в диодном лазере посредством рекомбинации электронов и дырок при подаче напряжения () в направлении пропускания. Это напряжение уменьшает разность потенциалов между зонами и- и р-типа. (а) Низкое напрязкение дает только слабое световое излучение, )в) более высокое напряжение генерирует излучение большей интенсивности. (Разность уровней Ферми определяется посредством внешнего напряжения 1): еН = Рс — Рт) 10.2. Лазеры на основе баА!Аз и! пбаАВР Чаще всего используются лазерные материалы ОаА1Ав (галлий-алюминиевый арсенид) и 1пОаАаР (индий-галлиевый фосфид арсенида). Химические элементы А1, Оа, 1и принадлежат к Ш группе периодической системы, а элементы Р Ав — к Ч группе.
Поэтомуданные комбинированные кристаллические системы обозначаются как полупроводники Ан'Вт, в отличие от соединений СЖ и 7пЯе, относящихся к полупроводникам АнВ"'. Длины волн лазерных диодов зависят от межзонного интервала конкретного полупроводника, в котором происходит рекомбинация электронов и дырок, В двухкомпонентных проводниках этот межзонный интервал имеет постоянную величину, которая у ОаАа составляет 1,4 эВ, что соответствует длине волны излучения 0,89 мкм. У полупроводников, состоящих из трех или четырех компонентов, указанный интервал между зонами может варьироваться путем изменения соотношения компонентов в комбинации (см.
рис. 10.3). В случае ОаА1Аз такая вариация проходит вдоль штриховой линии между 1,4 и 2,0 эВ, то есть от 0,9 до 0,7 мкм. Для полупроводника на основе 1пОаАзР изменение длин волн осуществляется в более широком диапазоне — от 0,6 до 4,0 мкм по рис. 10.3. Для диодных лазеров требуются прямозонные полупроводники; непрямые переходы здесь не годятся и специально отмечены на рис. 10.3. Отличия между прямыми и непрямыми переходами и, соответственно, между прямозонными полупроводниками и полупроводниками с межзонным интервалом при непрямых переходах уже рассматривались выше в п.
1.6. Здесь следует упомянуть еще одно ~!ВВ Р ИЛ рр д р ограничение: полупроводниковые слои прогце всего наращиваются на подложках, обладающих примерно одинаковыми атомными постоянными решетки. По этой причине очень удобно получать ба, А1 Аз — на баАа, а!и, ба„Аз Р, с 0 <х < 1 и У дУ у=2 2х — на 1пр Такие 1пбаАзР лазеры могут создаваться в диапазоне от 1000 до 1700 нм. Коротковолновую область до 0,65 мкм, то есть красное видимое излучение, удается получить с 1пбаАзР на 1пбаР в качестве подложки. В диодных лазерах желтой области спектра до 570 нм используют А1ба1пР на подходящей подложке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
