13. Полупроводниковые лазеры

Явление электролюминесценции в -переходе в полупроводнике впервые наблюдали Хейнес и Бриггс в 1952 г. [1]. Они исследовали люминесцентное свечение перехода при пропускании через него сильного тока в проводящем направлении. Электроны двигались в -область, а дырки — в -область. Рекомбинация дырок сопровождалась излучением квантов с энергией соответствующей переходу из валентной зоны в зону проводимости. В случае германия максимум свечения приходился на длину волны 1,77 мкм, в случае кремния — мкм.

В 1958 г. Эйгрин [21 показал, что рекомбинационное свечение электронов и дырок при их инжекции сквозь запрещенную зону можно использовать для получения инверсии населенностей. Использование этого свечения для создания полупроводникового лазера обсуждалось в работах Цайгера [31, Думке [4], Басова, Попова, Вула и Крохина [5—71 и др. в 1960-1962 гг. Указанные работы вскоре привели к созданию р - n-перехода в арсениде галлия (GaAs) с очень большим выходом электролюминесценции (рис. 13.1), что послужило основой для разработки первых полупроводниковых лазеров. Однако на этом пути пришлось преодолеть много трудностей. Необходимо было создать подходящий оптический резонатор, охватывающий область сильного рекомбинационного свечения перехода, и разработать способ очень интенсивного возбуждения полупроводника. Вынужденное испускание в GaAs получили независимо три группы исследователей во главе с Холлом [81, Натаном [9] и Квистом [10].

Диод Холла имел форму, близкую к кубической с длиной ребра 0,4 мм. Он работал при температуре жидкого азота и питался импульсами

Рис. 13.1. Полупроводниковый лазер на р—n-переходе.

Черным пояском обозначена небольшая активная область, в которой возникает состояние инверсии при протекании тока большой силы.

тока микросекундной длительности плотностью до А/см2. Излучение происходило на длине волны 8420 А. Ниже порога возбуждения ширина эмиссионной линии составляла 125 А; при вынужденном испускании она уменьшалась до 15 А. Эффективная область генерации в полупроводниковом лазере была очень мала, около мкм при толщине несколько микрон. Эта область совпадала с областью р - n-перехода. Расходимость пучка лазера составляла около 15°, а степень монохроматичности была значительно ниже, чем в созданных ранее газовых и твердотельных лазерах. Вскоре после работ Холла и др. было получено вынужденное испускание в видимой области в сплаве а затем в и других материалах.