ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ЯМЫ

В полупроводниковых квантовых ямах (КЯ, англ. quantum well — QW) очень тонкий слой одного соединения (Lz = 5—20 нм) с меньшей шириной за­прещенной ЗОНЫ Egl помещен между двумя слоями другого соединения с боль­шей шириной запрещенной зоны Eg2 (см. рис. 3.21а). На практике такая ге-

Рис. 3.21

А) Схематическое представление полупроводниковой квантовой ямы.

Б) Соответствующая зависимость энергий дна зоны проводимости (с. Ь.)

И потолка валентной зоны (v. b.) от координаты z вдоль полупроводниковой гетероструктуры, изображенной на рис. (а)

Тероструктура изготавливается с использованием сложных технологий мо­лекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) или газофазной эпитаксии металло­органических соединений (ГФЭМОС). Поскольку Egl < Eg2, то в полупровод­нике будут формироваться потенциальные ямы: для электронов — вблизи потолка валентной зоны, и, Ь, а для дырок — вблизи дна зоны проводимости, су Ъ (рис. 3.216). Поскольку движение электронов и дырок в таких потенци­альных ямах является ограниченным, а размеры полупроводниковой струк­туры в этом случае сравнимы с длиной волны де Бройля электронов и дырок, то в энергиях их состояний весьма отчетливо проявляется квантовый раз­мерный эффект. Более того, благодаря малой толщине промежуточного слоя в данном случае оказывается возможным использовать соединения с суще­ственно отличающимися постоянными решетки; что приводит к возникно­вению напряжения внутри тонкого квантового слоя. Это напряжение значи­тельно изменяет локальные квантовые свойства полупроводника с кванто­выми ямами и, в частности, эффективные массы носителей. Квантовый размерный эффект и (для напряженных квантовых ям, англ. strained quan­tum wells) изменение эффективных масс приводят к тому, что оптические свойства полупроводников с КЯ существенно отличаются от свойств исход­ных объемных полупроводников. В частности, значительно возрастает диф­ференциальный коэффициент усиления в веществе. Плотность числа элек­тронов при условии прозрачности, оставаясь в ненапряженных квантовых ямях (англ. unstrained quantum wells) сравнимой с характерной величиной этого параметра в объемных полупроводниках, заметно уменьшается в на­пряженных КЯ. Преимущества, которые эти улучшенные свойства КЯ обес­печивают с точки зрения уменьшения порога генерации и увеличения коэф­фициента усиления моды, будут рассматриваться в соответствующем разде­ле главы 9, посвященном полупроводниковым лазерам. Здесь же просто ограничимся констатацией того, что полупроводники с квантовыми ямами, напряженными или ненапряженными, стали наиболее широко используе­мыми активными средами полупроводниковых лазеров.