Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Вообще частота генерации индуцированною излучения может быть увеличена до 100 кГц. / Для увеличения выходной энергии лазерные диоды конструктивно оформляют в виде матрицы (рис. 9.6, б). Типичные характеристики ее при Т = 300 К следующие: импульсная мощность Р,„„ 0,5...1 кВт, расходимость у = 4...6' в плоскости р — п перехода ну= и = !0...20' в ортогональной плоскости. Длина волны Х 0,84... 0,89 мкм. Градиент длины волны составляет йХ/аТ = (1,2..., ) ,...1,5 х х !0 мкм/К. Итак, чтобы получить инжекционный полупроводниковый лазер, необходимо: 177 1) путем последовательного легирования вырастить кристалл с р — и переходом; 2) снизить потенциальный барьер путем инжекции носителей заряда, т. е.
получить инверсию населенностей р, — )х .э АЕ; 3) обеспечить положительную обратную связь, создав резонатор из полированных граней кристалла нли скола грани кристалла; 4) разработать конструкцию и технологию изготовления полупроводникового лазера; 5) выбрать схему и спроектировать систему накачки. О| Ое О -- О» Е Е Е.З. Гетероструитуры, гетеропереходы и гетеропазеры Существенными недостатками гомоструктурных инжекционных лазеров явля|отея большие плотности порогового тока [(!О...!00) х х 1О' Агама[ и сравнительно малый к.
п. д. (1...3 %). Потенциальные возможности полупроводниковых лазеров в данном случае далеко нн исчерпываются. Причины этого кроются втом, чточасть тока инжекцин носителей в гомоструктурах растекается в прилегаюших к р — и переходу областях, где коэффициент поглощения выше, чем в области р — и перехода. Значительная часть электронов проскакивает сквозь р — и переход и не участвует в рекомбинации. Практически энергии фотонов излучения получается меньше вследствие взаимодействия носителей друг с другом, с кристаллической решеткой и примесями, с экситонамн * и т.
д. Только малая часть носителей непосредственно участвует в создании вынужденного излучения. Увеличение к. п. д. полупроводникового лазера достигается использованием гетеропереходов. За фундаментальные исследования гетеропереходов в полупроводниках и создание серии приборов на гетероструктурах — многослойных твердых растворах полупроводников [24[ советским ученым Ж. И. Алферову, В. А.
Андрееву, Д. 3. Гарбузову, В. И. Королькову, Д. Н. Третьякову, В, И,Швейкину в 1972 г. была присуждена Ленин. окая премия. Предложение об использовании гетеропереходов и реализация гетероструктурного полупроводникового лазера стали возможными благодаря освоению эпитаксиальной а* технологии выра|цнвания многослойных структур на основе твердых растворов баАз, ПеР, СгаР,Ая| „, [пь кС|а„Р, А1,С|а| кАя, СЮ|,Зе„, 1пР|,Ая„, РЬ!,Зе„, А!„С|а| „Ая и т.
д. Уместно повторить ставшую теперь уже истину, что совершенство технологических процессов является определяющим началом научнотехнического прогресса. Необходимо знать не только, что изготовить, но и чем н как изготовить! ' Примеров, поясняющих эту мысль, более чем достаточно.
Усовершенствование технологии выращивания чистых монокристаллов привело к бурному развитию полупроводниковой элементной базы и интегральных микросхем. Другой пример: освоение способов эпи* Эксиглои — элементарное электрически нейтральное возбуждение в полупроводниках и диэлектриках, связанное с образованием пары электрон — дырка. а "' Элигпаксил — образование однообразно ориентированных отвссительно руг друг монакристаллов одного вещества на грани другого кристаллического вещества, — друг |7З Рис. 9.7. Схемы и характеристики гетеропереходов и гетераструктур полупроводниковых лазеров: о — ванные энергетяческне диаграммы прн прямых переходах |стрелкамн указано направленне двннення электронов, зажтрнховаяные облзстн — зоны вероятного нахожденяя электро. нови б — зззнснмость показателя преломленнн л от яоордпнаты з актнвного слоя такснн и создание гетеролазеров, хотя основы ванной теории полупроводников были известны задолго до появления этого типа лазеров.
Высокое кристаллическое совершенство гетероструктуры обусловлено равенством ковалентных радиусов атомов ба и А1, Ая и Р и т. д. В результате этого замещение, например, галлия алюминием (различие радиусов около 1,2б 10 4 мкм) в интерметаллических кристаллах происходит с очень малым относительным (около 1,3 х х 10 |) изменением периода решетки (изоиериодическое замещение), в то время как ширина запрещенной зоны меняется скачком и значительно. Тип кристаллической решетки контактирующих полупроводников также должен быть одинаковым. На основе изопериодического замещения ба, А1, Ая, Р созданы гетеролазеры с длиной волны 1,05...1,3 мкм, в которых использованы двух- и многокомпонентные гетероструктуры с изменением АЕ в довольно широких пределах (1,43...2,2 эВ).
Для улучшения характеристик инжекционных лазеров применяются гетероструктуры, в которых используются несколько гетеропереходов и р — и переходов. Так, основной эффект гетеропереходов, состоящий в резком снижении порога генерации при комнатной температуре, достигнут с помощью так называемой двусгиоранней гетеро- структуры типа и (А1, ба) Ая — рСтаАя — р (А!, Сга) Ая.
Плотность порогового тока при комнатной температуре для этой системы менее 10' Аусмз. Благодаря этому удалось впервые получить непрерывную генерацию в инжекционных лазерах при комнатной температуре. Успешно применяется в полупроводниковых лазерах и другая аналогичная гетероструктура (!п, Сга) (Ая, Р). Например, в твердом растворе Сга„[п| „Р| „Ая„индексы х и у подобраны таким образом, что влияние Сга и Ая на период решетки взаимно скомпенсировано.
Рассмотрим типы 'гетероструктур (рис. 9.?). Существуют структуры с одним гетеропереходом: 1 — инжектирующий р — и гетеропе- 179 реход; 2 — односторонняя гетероструктура с гетеропереходом, ограничивающим диффузию инжектированных носителей тока (электронное ограничение) и структуры с двумя гетеропереходамн 3, 4. Односторонняя гетероструктура является комбинацией р — и перехода и гетероперехода Р— р-типа, расположенного вблизи р — и перехода на расстоянии, меныпем длины диффузии ннжектируемых носителей, Такие структуры создаются эпитаксиальным наращиванием легированных слоев на подложках с противоположным типом проводимости и с последующей диффузией примесей в подложку для получения р — п перехода.
Двусторонняя гетероструктура — это структура, в которой объединены преимушества первых двух вариантов и, кроме того, использовано оптическое огр ничение; 4 — модифицированная двусторонняя гетероструктура с расширенным оптическим волноводом *, Например, в односторонней гетероструктуре на ОаАз на подложку с электронной проводимостью наращивается слой р — А1,Оа~,Аз с более широкой запрещенной зоной АЕ, чем у ОаАз. На границе этих материалов образуется р — р гетеропереход, потенциальный барьер которого препятствует растеканию инжектированных в ОаАз электронов и ограничивает объем активной области, приводя к так называемому эффекту элгкгпронного ограничения.
Это, в свою очередь, снижает пороговую плотность тока до (5...10) !О' А/см' при Т = 300 К. По этой технологии получены гетероструктуры на ОаАзА1„Оа~,Аз и РЬ!,5п,Те 18, 20, 241. В общем случае в гетеропереходе имеется скачок ширины запрещенной зоны АЕ, который является суммой разрывов (ЛЕ = ЛЕ, + + АЕ„) в положении краев зоны проводимости ЛЕ, и валентной зоны ЛЕ„. Значения АЕ, и АЕ„определяются данной парой полупроводников и не зависят в определенных пределах от смешения на гетеропереходе, от типа проводимости легирования. Так, для гетеро- переходов ОаАз — ОаР и (А1, Оа) Аз — ОаАз имеем соответственно АЕ, = 0,67 эВ и не более 0,76 эВ, ЛЕ„= 0,15 эВ и около 0 эВ. Наличие АЕ, и АЕ„приводит к возникновению дополнительных потенциальных барьеров в р — и и и — Р гетеропереходах, а именно: барьер для основных носителей тока шнрокозонного полупроводника АЕ меныпе, чем барьер для основных носителей тока узкозонного полупроводника.
При условии, что ЛЕ, ) 0 и АЕ, =» О, это обстоятельство служит гарантией односторонней инжекции из шнрокозонного эмнттера в узкозонную базу полупроводникового диода. Из рис. 9.7 также следует, что в гетеропереходе потенциальный барьер для инжекции из широкозонного материала уменьшен по сравнению с гомопереходом. Таким образом, прн наложении разности потенциалов на гетеропереход в прямом направлении потенциальный барьер снимается раньше, чем для гомоперехода.
Так, для электронов в р — и гетеропереходе барьер снимается, когда внешнее напряжение У, при прямом смешении меньше контактной разности потенциалов У, на величину АЕ,уе,— возникает своего рода свгрхинжгкция. Бла- 'Смг Алферов Ж. И., Андреев Б.М., Елисеев РЬ Г. Инжекциоакыя гетеролазер и Фтп.— 19?О.— т. 4, лъ 12,— С. 2388, 2389, 180 годаря этому можно создать концентрацию избыточных носителей тока, во много раз превышающую равновесную концентрацию этих же носителей тока в эмиттере. Для Р— п гетероперехода максимально достижимая концентрация в невырожденном случае увеличивается в ехр (АЕ,/(йТ)! раз, для и — Р гетероперехода — в ехр 1АЕ„7(кТ)! раз.
В частности, экспериментально доказано, что сверхинжекцию можно использовать для получения инверсии в невырожденных р — и переходах, когда энергия поглощения носителей Епогл = РисЖР,Лт. (9.13) Электронное ограничение в гетероструктурах можно объяснить следующим образом. Потенциальные барьеры, возникающие в области Р— р или и — и гетеропереходов (см. рис. 9.7), способны также существенно ослабить диффузионное растекание инжектированных носителей тока.
Физически это обусловлено тем, что если высота потенциального барьера намного больше нТ!е, инжектируемые электроны при определенных условиях практически полностью отражаются от барьера и рекомбиннруют только в активном слое. Это равносильно увеличению средней избыточной концентрации при том же токе или уменьшению необходимой плотности тока для достижения заданной концентрации носителей. Избыток концентрации над пороговым значением полностью преобразуется в вынужденное излучение с энергией Е,„„= Р ЯР,лт, (9.14) где Р = Є— вероятности переходов электронов в зону проводимости и валентную зону; Ж„, Ж, — среднее количество электронов, расположенных в валентной зоне и зоне проводимости; ЄЄ— среднее количество дырок в зоне проводимости и в валентной зоне. Эффективное время жизни избыточных носителей уменьшается с увеличением интенсивности электромагнитного поля.
Оптическое ограничение в гетероструктурах обусловлено образованием волноводной структуры, которая ограничивает дифракционные потери излучения, распространяющегося вдоль активного слоя. Диэлектрический волновод образуется из самого активного слоя, диэлектрическая проницаемость а и соответственно показатель преломления и в котором несколько выше, чем в окружающих пассивных областях. Скачок диэлектрической проницаемости на границе активной области в этом случае вызван изменением уровня легирования, влияющего на положение края поглощения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
