§ 20. ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОГО ТОКА ОТ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВА И ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАТОРА

Активный слой иижекционных гомо- и гетеролазеров.

Еще до появления первого лазера на рубине была обоснована возможность получения стимулированного испускания в полупроводниках [569, 570, 579—581]. На опыте вначале было зафиксировано сужение линии излучения полупроводниковых диодов на основе арсенида галлия, что свидетельствовало о получении инверсной населенности [582], и вскоре появились сообщения о получении, генерации [583—586].

Создание квантовых генераторов на полупроводниках не только расширило круг веществ, пригодных для генерации света, но и открыло новые возможности получения активной среды, управления частотой и интенсивностью лазерного излучения. Большим достижением полупроводниковой квантовой электроники явилось создание гетеролазеров, работающих в непрерывном режиме при комнатной и более высоких температурах [587—590].

Активная среда в инжекционных лазерах получается при инжекции электронов и дырок через -переход или через гетеропереход. В узком смысле слова -переходом называется условная граница раздела двух областей кристалла, одна из которых имеет дырочный тип проводимости, а вторая — электронный. Гетеропереход — это граница раздела между двумя различными полупроводниками, образующими единый кристалл. В зависимости от типа проводимости полупроводников могут быть -гетеропереходы, или -гетеропереходы.

Поскольку в лазерах на -переходах используется один полупроводник, то они называются гомолазерами в отличие

от гетеролазеров, для получения которых нужно не менее двух различных полупроводников.

Лазерные -переходы получают двумя способами: либо путем диффузии примеси в заранее выращенный кристалл (диффузионные -переходы), либо путем наращивания на поверхность полупроводника с заданным типом проводимости слоя того же полупроводника с другим типом проводимости (эпитаксиальные -переходы) [591, 592]. При получении гетеропереходов полупроводники легируются в процессе роста [590, 593].

Коэффициент отражения на границе полупроводниковый кристалл—воздух достаточно высок поэтому для получения оптического резонатора в инжекцнонном лазере не требуется специальных зеркал. Достаточно сделать два торца диода параллельными друг другу и перпендикулярными к -переходу. В кубических кристаллах резонатор обычно получают путем скалывания пластинки с имеющимся в ней -переходом по кристаллографическим плоскостям. Чтобы плоскость -перехода была перпендикулярна зеркалам резонатора, перед проведением диффузии или наращиванием эпитаксиального слоя пластинка ориентируется (§ 1), шлифуется и полируется так, что поверхность диффузии становится перпендикулярной к поверхностям скола.

Лазерный диод обычно имеет форму прямоугольного параллелепипеда, длина граней которого составляет от десятков микрон до Получена генерация и на более длинных диодах — до [594].

Грани параллелепипеда, параллельные плоскости -перехода, металлизируются, и к ним подводятся электрические контакты. Боковые грани диода матируются. Если их сделать плоскопараллельными, то образуется четырехсторонний резонатор.

Электронные процессы, происходящие в инжекционном лазере, достаточно сложны, и их строгое количественное описание до сих пор отсутствует. Рассмотрим их качественно на примере лазерного диода с -переходом.

Пусть плоскость -перехода перпендикулярна оси х (рис. 98). Хотя однородный полупроводник при любом уровне легирования остается электрически нейтральным, в слоях, с двух сторон примыкающих к -переходу, электронейтральность отсутствует [595, 596]. В результате диффузии дырок из -области в -область и диффузии электронов в обратном направлении около -перехода создается область объемного заряда а нейтральными будут только удаленные участки полупроводника (I и II на рис. 98, а). В -области объемный заряд отрицательный, а в -области—положительный.

Объемный заряд создает внутреннее электрическое поле направленное из -области в -область. В этом поле электрон приобретает дополнительную потенциальную энергию которую можно представить в виде

В интервале значений х от до практически постоянно и равно своему максимальному значению При равно нулю. Это означает, что с переходом из в -область электростатический потенциал электрона возрастает (рис. 98, г), в нейтральных областях диода он постоянен.

Изменение потенциальной энергии электрона вблизи -перехода приводит к искривлению энергетических зон полупроводника (рис. 98, д). Между и -областями диода при отсутствии внешнего воздействия устанавливается термодинамическое равновесие и распределение электронов и дырок характеризуется одним уровнем Ферми хотя в -области расположено в пределах валентной зоны, а в -области уровень Ферми заходит в зону проводимости.

Если к диоду приложить электрическое напряжение в прямом направлении (плюс на -области), то искривление зон

Рис. 98. Электронные характеристики лазерного -перехода: а — нейтральные области диода (I и II), между ними область объемного заряда; пространственное распределение объемного заряда, внутреннего электрического поля и электростатического потенциала соответственно; искривление энергетических зон под действием внутреннего электрического поля; образование слоя с инверсной населенностью (заштриховано) при ннжекцни тока через -переход

уменьшится, поскольку внешнее электрическое поле направлено против и уменьшает потенциальный барьер, созданный внутренним полем (рис. 98, е). Электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу. Их квазиравновесное распределение по энергии будет характеризоваться двумя уровнями Ферми При этом в некотором слое полупроводника может оказаться, что будет выполнено условие инверсной населенности (§ 19).

При одинаковой концентрации электронов и дырок уровень Ферми в -области заходит глубже в зону проводимости, чем в валентную зону в -области, так как плотность состояний в зоне проводимости обычно меньше, чем в валентной зоне. В результате этого активный слой, как видно из рис. 98, е, смещен в -область диода

Важнейшее отличие гетеропереходов от простых -переходов связано со скачкобразным изменением ширины запрещенной зоны на границе раздела двух полупроводников. Величина скачка запрещенной зоны равна алгебраической сумме разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны

Для гетероперехода установлено: В гетеропереходах разрыв валентной зоны отсутствует, поэтому [593].

Для создания лазерных гетеропереходов наиболее подходящей оказалась пара полупроводников так как постоянные кристаллической решетки этих материалов для для почти равны [597, 598]. В инжекционных лазерах используется несколько типов гетероструктур на основе Простейшей из них является гетероструктура с одним -гетеропереходом (рис. 99, а), в которой -область характеризуется большей шириной запрещенной зоны, чем -область, поскольку для нее берется растет с увеличением значения х в форме Односторонняя гетероструктура состоит из -гетероперехода и -перехода в узкозонном материале (рис. 99,б). В двусторонней гетероструктуре два гетероперехода, причем (рис. 99, г). В модифицированной двойной гетероструктуре -структуре) между -гетеропереходом и -гетеропереходом создается -переход в узкозонном материале (рис. 99, г) [593, 599].

По сравнению с простыми -переходами гетероструктуры, особенно двойные, обладают двумя важными преимуществами, которые обеспечивают более низкий порог генерации при комнатной температуре. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области двойной гетероструктуры меньше, чем в пассивных областях. Поэтому инжектированные в активную область носители находятся в потенциалыюй яме. Потенциальные барьеры гетеропереходов препятствуют растеканию области рекомбинации за пределы активного слоя. В то же время в гомолазерах область рекомбинации, т. е. объем кристалла, где может быть значительно больше активного слоя (рис. 98, е). Во-вторых, гетероструктуры обладают значительно лучшими волноводными свойствами, чем активный слой -перехода.

Вследствие ограничения активной области потенциальными барьерами в гетеролазерах стало возможным явление суперинжекции, заключающееся в создании в активной области концентрации носителей более высокой, чем равновесная концентрация этих же носителей в эмиттере. На рис. 100 показано, как уровень Ферми находившийся при термодинамическом равновесии ниже дна зоны проводимости в -области, в результате суперинжекции заходит в зону проводимости в активной области [590]. Поэтому в гетеролазерах отпадает необходимость применять сильное легирование, которое сопровождается появлением в активной области большой концентрации дефектов.

Как видно из рис. 98, активная область гомолазера неоднородна. Она характеризуется градиентами концентраций электронов и дырок и зависимостью коэффициента усиления от координат. В гетеролазерах активный слой более однороден. В этом параграфе рассматривается в основном, модель однородного активного слоя, так как она позволяет в чистом

Рис. 99. Схемы лазерных гетероструктур на основе твердых растворов значения х в формуле причем обычно а — простой -гетеропереход; б - односторонняя гетероструктура с -переходом в материале и -гетеропереходом, создающим потенциальный барьер для инжектируемых электронов; в — двусторонняя гетероструктура с и -гетеропереходами; двусторонняя гетероструктура с -переходом в материале и двумя гетеропереходами

Рис. 100. Зонная диаграмма лазерной двусторонней гетероструктуры (рис. 99, в) при термодинамическом равновесии (а) и в режиме генерации (б) [590]

виде исследовать зависимость порога и мощности генерации от спектроскопических характеристик вещества и параметров резонатора.