ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЛАЗЕР НА ГОМОПЕРЕХОДЕ

В лазере на гомопереходе накачка осуществляется в областир-тг-перехода, где участки р - и /г-типа, выполненные из одного и того же материала (напри­мер, ОаАв), являются своего рода вырожденными полупроводниками. Это оз - начает, что концентрации доноров и акцепторов здесь настолько велики (« Ю18 атомов/см3), что уровни Ферми попадают в валентную зону дляр-типа ЕРр и в зону проводимости для /г-типа ЕРп. Когда переход сформирован, а напряжение смещения еще не приложено, структура энергетических зон бу­дет иметь вид, как это показано на рис. 9.19а, где оба уровня Ферми имеют одинаковые энергии, т. е. лежат на одной горизонтальной линии. Когда при­кладывается прямое напряжение смещения V, два уровня Ферми становятся разделенными промежутком АЕ = еУ, см. рис. 9.196. Из этого рисунка видно, что в области перехода электроны инжектированы в зону проводимости (из области п-типа), в то время как дырки инжектированы в валентную зону (из области р-типа). Таким образом, при подходящем значении плотности тока может быть достигнуто условие прозрачности, а следовательно, и пороговое условие генерации. В действительности, одно из главных ограничений для таких устройств обусловлено очень маленьким потенциальным барьером, ко­торый встречается на пути электрона зоны проводимости, когда последний достигает областир-типа в переходе. После чего данный электрон может про­никнуть в материал р-типа, где он становится неосновным носителем, реком­бинируя с дыркой. Глубина проникновения электрона <2, согласно теории диф­фузии, дается выражением 2) = где 2) — коэффициент диффузии их — среднее время жизни электрона до рекомбинации. Для материала ОаАэ имеем В = 10 см2/с и т = 3 не, так что глубина <2 составляет примерно 1 мкм, а это означает, что активная область является достаточно толстой и ограничена ско­рее длиной диффузии (I, чем толщиной обедненного слоя (—0,1 мкм).

Типичная конфигурация лазера нар-п-переходе показана на рис. 9.20, где заштрихованная область соответствует активной области. Из рисунка

(і, Активная область

Рис. 9.19 Зонная структура р-п-перехода полупроводникового лазера в отсутствие напряжения смещения (а) и при смещении в прямом направлении (б)

Активная область ~ Область/1-типа ~— Грубо обработанная поверхность

Рис. 9.20 Стандартный полупроводниковый лазер на широком р-тг-гомопереходе

Видно, что размеры диода очень малы (несколько сотен микрон). Чтобы обеспечить обратную связь в резонаторе, необходимую для лазерной гене­рации, торцы полупроводникового кристалла изготавливаются параллель­ными друг другу, обычно это осуществляется скалыванием вдоль плос­костей кристалла. Зачастую на торцы полупроводникового кристалла не наносятся какие-либо отражающие покрытия, поскольку показатель пре­ломления полупроводника очень велик (например, п = 3,6 для ОаАв) и на границе раздела полупроводник-воздух, вследствие френелевского отра­жения, имеется уже достаточно высокий коэффициент отражения (~32% для ОаАв). Как уже отмечалось выше, толщина активной области в на­правлении, перпендикулярномр-п-переходу, составляет (1 « 1 мкм. Тем не менее, из-за дифракции излучения поперечный размер лазерного пучка в этом направлении оказывается значительно больше, чем сама активная область (« 5 мкм).

При комнатной температуре лазеры на гомопереходах обладают очень высокой пороговой плотностью тока (е/*л « 105 А/см2), которая препятствует получению непрерывного режима генерации лазера при таких температур­ных условиях (без разрушения кристалла за очень короткое время). Столь высокое пороговое значение обусловлено двумя основными причинами:

■ толщина активной области (й « 1 мкм) весьма велика, и пороговый ток, будучи пропорциональным объему активной среды, пропорционален и ее толщине;

■ лазерный пучок, обладая сравнительно большим поперечным размером, проникает в р - и п-области достаточно глубоко, где он претерпевает силь­ное поглощение.

В силу этих причин лазеры на гомопереходах могут работать в непрерыв­ном режиме только при криогенных температурах (обычно при температуре жидкого азота Т = 77 К). В действительности, для данного лазерного перехо­да, согласно выражению (3.2.37), усиление в полупроводнике резко возрас­тает с уменьшением температуры. При этом контакт диода с жидким азотом также способствует очень эффективному охлаждению.