Полупроводниковые инжекционные лазеры

Лазеры с полупроводниковыми активными элементами довольно специфичны – физика процессов, методы накачки и конструкция сильно отличаются от лазеров на других средах. Поэтому прежде кратко напомним об некоторых особенностях этих кристаллов. В атоме энергия электрона принимает строго определенные дискретные значения; энергетические состояния электрона в атоме описываются на языке уровней. В кристалле же вместо системы уровней рассматриваются энергетические зоны. Энергия электрона может принимать любое значение в пределах зоны. Одновременно в зоне может находиться, хотя и очень большое, но все же конечное число электронов, поэтому зона может быть полностью или не полностью заполненной электронами. Зона начинает заполняться электронами снизу, т.е. в направлении от более низких к более высоким значениям энергии. Степень заполнения зон электронами, величина межзонных промежутков, возможное взаимное перекрытие зон – все это позволяет объяснить общеизвестное деление твердых тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. В дальнейшем изложении важны именно полупроводники, поэтому ограничимся энергетическими состояниями электронов в полупроводниковых кристаллах.

Особо выделяются две энергетические зоны – так называемую валентную и расположенную над ней (по шкале энергий) зону проводимости. Между зонами есть промежуток запрещенных значений энергии шириной не более 1 – 3 эВ; его называют запрещенной зоной (это – зона значений энергии, которых электроны в данном веществе принимать не могут). Допустим, что температура полупроводника равна абсолютному нулю. В этом случае валентная зона должна быть полностью заполнена электронами, а зона проводимости должна быть пустой. В действительности же температура всегда выше абсолютного нуля, поэтому можно говорить о тепловом возбуждении электронов. Оно приводит к тому, что часть электронов перескакивает из валентной зоны в зону проводимости; таких электронов будет тем больше, чем выше температура полупроводника. В результате в зоне проводимости появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов; в то же время валентной зоне до ее полного заполнения теперь не хватает соответствующего числа электронов.

Отсутствие электрона в валентной зоне удобно представлять как наличие в ней положительно заряженной частицы; ее называют дыркой. В беспримесном полупроводнике число электронов в зоне проводимости (в единице объема кристалла) точно равно числу дырок в валентной зоне. Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх можно рассматривать как генерацию электронно-дырочной пары¾появление электрона в зоне проводимости и одновременное появление дырки в валентной зоне. Электроны сосредоточиваются у нижнего края зоны проводимости, а дырки у верхнего края валентной зоны. Наряду с переходами через запрещенную зону снизу вверх возможны также обратные переходы–сверху вниз. Электрон может совершить скачок из зоны проводимости обратно в валентную зону; такой процесс называют рекомбинацией электрона и дырки.

Будем облучать полупроводник светом такой частоты, чтобы энергия фотонов слегка превышала ширину запрещенной зоны. Такой фотон может быть поглощен электроном вблизи верхнего края валентной зоны. В результате электрон совершит квантовый переход в зону проводимости. Практически с такой же вероятностью фотонможетвызватьвстречныйпроцесс– переход в валентную зону электрона из зоны проводимости (вблизи её нижнего края). При этом будет испущен еще один фотон (вторичный), причем в том же направлении, в каком летел первичный фотон. В первом случае имеем поглощение света в полупроводнике, а во втором – вынужденное испускание света. Возможно также самопроизвольное возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону – спонтанное испускание света.

Для создания полупроводникового лазера необходимо обеспечить преобладание процессов вынужденного испускания света над процессами его поглощения. Иначе говоря, надо сделать так, чтобы полупроводник мог усиливать излучение. Для этого надо получить инверсную заселённость «рабочих уровней», в качестве которых здесь выступают нижний край зоны проводимости и верхний край валентной зоны. Концентрация электронов у нижнего края зоны проводимости (т.е. на верхнем «рабочем уровне») должна быть больше, чем у верхнего края валентной зоны (на нижнем «уровне»). Инвертированный полупроводник характеризуется достаточно высокой концентрацией электронов у нижнего края зоны проводимости и соответственно высокой концентрацией дырок у края валентной зоны; такие полупроводники называют вырожденными. Заметим, что могут быть полупроводники, вырожденные только по электронам проводимости или только по дыркам. В рассмотренных выше чистых, или беспримесных, полупроводниках возможно лишь одновременное вырождение – и по электронам, и по дыркам.

Внесение в полупроводниковый кристалл тех или иных примесей существенно изменяет его свойства. Примеси бывают разные. Атомы одних примесей легко отдают в зону проводимости по одному из своих электронов; такие примеси называют донорными, а полупроводники с такими примесями – n -полупроводниками. Атомы других примесей, напротив, захватывают по одному электрону из валентной зоны; это акцепторные примеси и соответственно полупроводники р -типа, или р -полупроводники.

Для создания инверсии можно привести в контакт друг с другом два вырожденных полупроводника разного типа: п -полупроводник и р - полупроводник (coздaть так называемый р-п – переход). Известно, что р-п – переход обладает свойством односторонней проводимости, потому и усиливающий элемент такого типа часто именуют лазерным диодом. К области контакта прикладывается электрическое напряжение так, как изображено на рисунке 4, а. Под действием поля электроны из п -полупроводника будут перемещаться (инжектировать), в эту же область будут инжектировать дырки из p -полупроводника. В указанной области развернётся рекомбинация - там будут происходить переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону. На этих переходах при наличии оптического резонатора возможна лазернаягенерация. Таков принципработы полупроводниковых лазеров, называемых инжекционными (схемаприведенанарисунке 4, б).Энергия когерентного излучения здесь черпается за счет энергии источника тока, подключенного к контакту разнородных примесных полупроводников.

Рисунок 4 - Принципиальное устройство инжекционного полупроводникового лазера

а)схема инжекции носителей заряда в области контакта;

б) схема расположения элементов в лазере:

(I) - область р – n -перехода (активный слой лазерного диода), (II) – верхний электрод, (III) – нижний электрод; плоский резонатор образован обеими отполированными гранями (IV) диода, ориентированными перпендикулярно плоскости р-п – перехода. Стрелками указано направление вывода излучения

Широко применяется инжекционный лазер на арсениде галлия (GaAs). Вырожденный п -полупроводник получают при внесении в GaAs примеси теллура; концентрация примеси примерно 5×10¹⁸ см ^-3. Вырожденный р -полупроводник получается при внесении в GaAs примеси цинка; концентрация примеси порядка 10¹⁹ см ^-3. Генерация происходит на длинах волн от 0,82 до 0,9 мкм. Инжекционные лазеры отличаются своей миниатюрностью; линейные размеры граней полупроводникового активного элемента могут составлять всего 1 мм. Толщина излучающей области (области р – n -перехода) равна 2 мкм. Мощность излучения такого лазера порядка 10 мВт в непрерывном режиме. Ввиду особой компактности и высокой надёжности инжекционные лазеры оказалось выгодным использовать в современных системах передачи и обработки информации. Один из разработанных в последнее время инжекционных лазеров, применение которого стремительно развивается – лазер на основе нитрида галлия (GaN), излучающий в зеленой части видимого спектра с низким поглощением мощности свечения в воздухе и в воде. Инжекционные лазеры характеризуются высоким КПД, который может составлять 50 – 70%. Применение находят и другие лазеры на полупроводниковых кристаллах, например, лазеры с накачкой электронным пучком.