Лазер на двойном гетеропереходе

Рис. 2- Схематическое представление по­лупроводникового лазера с двойным гете­ропереходом. Активная область представ­ляет собой слой из GaAs(n) (заштрихо­ванная область)

Ограничения, отмеченные в предыдущем разделе, сдержи­вали широкое использование полупроводниковых лазеров до тех пор, пока не были предложены вначале одинарные гетеропере­ходы, а вскоре после этого —двойные гетеропереходы. Мы огра­ничимся тем, что рассмотрим последний тип перехода, поскольку только он обычно и применяется. Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис. 2при­веден пример лазерной структуры с двойным ге­теропереходом в GaAs, В этом диоде реализова­ны два перехода между различными материалами [Al Ga As(p)— GaAs и GaAs — Al Ga As(n)]. Активная область пред­ставляет собой тонкий слой GaAs (0,1—0,3 мкм). В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной темпера­туре можно уменьшить примерно на два порядка (т. е. до ~ 10³ Л/см²) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происхо­дит благодаря совместному действию трех следующих фак­торов: I) Показатель преломления GaAs ( 3,6) значительно больше показателя преломления Al Ga As (3,4), что при­водит к образованию оптической волноводной структуры (рис. 3 а). Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т, е. в области, в которой имеется усиление, 2) Ширина запрещенной зоны E_gl в GaAs (~ 1,5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещен­ной зоны Ем в Alo.3Gao.7As (~ 1,8 эВ). Поэтому на обоих пере­ходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (рис. 3в). Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление. 3) Поскольку E_g, значи­тельно больше, чем E_gl1 лазерный пучок с частотой v = E_g /h почти не поглощается в Al Ga As. Поэтому крылья попереч­ного профиля пучка, заходящие как в p-, так и в n-области. (рис. 36), не испытывают там сильного поглощения.

5

Рис. 3. а — профиль показателя пре­ломления; б —поперечное сечение пуч­ка; в — зонная структура полупровод-пика с двойным гетеропереходом, ис­пользуемого в диодном лазере.

До сих пор мы рассмат­ривали лазер с двойным ге­теропереходом на GaAs. Длина волны его излучения (    = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором мы имеем минимум потерь в оп­тическом волокне из плав­леного кварца (первое окно пропускании). В настоящее время усиленно разрабаты­ваются лазеры с двойной ге-тероструктурой, работающие на длине волны либо 1,3 мкм, либо 1,6 мкм, на которых наблюдаются два других минимума по­терь оптического волокна (второе и третье окна про­пускания), поскольку потери в этих минимумах суще­ственно меньше. Здесь наи­больший интерес в качестве активной среды представ­ляет четырехкомпонентный сплав In Ga As P, где p- и n-области переходов выполняются из бинарного соединения InP. В этом случае добав­ляется новое условие, которому необходимо удовлетворить: по­стоянная решетка четверного сплава должна совпадать с посто­янной решетки InP (с точностью порядка 0,1 %). Если это усло­вие не выполняется, то слой четверного сплава, эпитаксиально выращенный на подложке из InP, приведет к достаточно силь­ным напряжениям, которые рано или поздно разрушат переход

6

Если выбрать значения параметров х и у четверного сплава таким образом, чтобы у = 2,2х, то решетка четверного сплава согласуется с решеткой InP. Выбирая соответствующим обра­зом х, можно получать длину волны излучения в диапазоне 0,92—1,5 мкм.