Здавалка
Главная | Обратная связь

Устройство и принцип действия полупроводниковых лазеров с гетероструктурами



 

Лучшей совокупностью технико-экономических показателей обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры.

Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенци­альными барьерами для встречных потоков и электронов, что вызывает одностороннюю инжекцию 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 n 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 p-n - 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. Ещё 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 . Активный слой из p – с узкой запре­щенной зоной имеет, толщину значительно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями с широкой запрещенной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии.

Полоску вытравливают в тонком слое , 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 (в соответствии с рисунком 5.15) кроме активного слоя, например, (GaAs) содержит слои, например, (AlGaAs), 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. Поэтому при возникновении излучения в активной области возникает полное внутреннее отражение от ее границ, в результате чего подрастает и мощность, и направленность излучения. Как видно из рисунка 5.15 верхний электрод ППЛ выполнен в виде узкой полоски.

Рисунок 5.15 – Полупроводниковый лазер с гетероструктурой

 

Это превращает актив­ный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и содержит, в основном, одну моду, что позволяет применить этот лазер для возбуждения одномодовых 0В.

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, который способст­вует 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.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.