ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Устройство и принцип действия полупроводникового лазера с гетероструктурой

Лучшими технико-экономическими показателями обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры.

Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциаль­ными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает одностороннюю инжек -

Цию носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентра­ция инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое рав­новесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно шире запре­щенной зоны базы, а показатель преломления и зависит от ширины запрещенной зоны. В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как усло­вие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в шири­не запрещенных зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры дости­гается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению внутренней кван­товой эффективности.

Первые инжекционные лазеры имели плотности порогового тока до 105 А/см2 при 300 К и поэтому не могли работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Избежать этого недостатка удается при использовании гетероструктур. В них за актив­ной областью /»-«-перехода следует полупроводниковый слой с большей шириной запре­щенной зоны и меньшим показателем преломления для лучшего пространственного огра­ничения носителей и оптического излучения. Это способствует уменьшению порогового тока лазеров с одиночной гетероструктурой до 104 А/см2 при комнатной температуре. Еще лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГС). Разра­ботан ДГС-лазер, который при комнатной температуре имеет плотность порогового тока всего 1600 А/см2. Лазер выполнен на основе тройного полупроводникового соединения СаА1Аз. Активный слой из р — ОэАб с узкой запрещенной зоной имеет, толшину значи­тельно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями ОахА1|_хА5 с широкой запрещен­ной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску вытравливают в тонком слое 8Ю2, осажденном на полупроводниковый кристалл, и вскры­вают окно под металлический контакт. Благодаря этому накачке подвергается только часть активной области под полоской. Применив лазер длиной 400 мкм с полоской шири­ной 13 мкм, получили пороговый ток 300 мА при комнатной температуре. Более того, ла­зеры с полосковой геометрией сделали возможной работу на одной поперечной моде и на одной частоте, тогда как первые инжекционные лазеры характеризовались многомодовым спектром.

В простейшем инжекционном лазере толщина активного слоя соизмерима с длиной вол­ны. Поэтому возникает дифракция света, в результате которой фотоны «растекаются» в прилегающие к активному слою области. Это явление резко уменьшает мощность, расширя­ет спектр и ухудшает направленность излучения.

Лазер с гетероструктурой (рис. 5.15), кроме активного слоя (например, ОэАб), содержит слои (например, АКЗаАз), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещен­ной зоны активного слоя. Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной об­ласти, и мощность излучения при том же токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличи­вается, Кроме того, показатель преломления активной области больше, чем у гетерослоев. В результате при возникновении излучения в активной области возникает полное внутрен­нее отражение от ее границ, что приводит к росту и мощности, и направленности излуче­ния. Как видно из рис. 5.15, верхний электрод полупроводникового лазера выполнен в виде узкой полоски.

Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и в ос­новном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одно­модовых оптических волокон.

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все из­быточные носители зарядов сосредоточиваются в активной средней области, их проникно­вение в эмиттер ничтожно мало. Положительную роль играет также волновой эффект, спо­собствующий концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного сред­него слоя структуры. В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший кпд, что, в свою очередь, позво­ляет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.