6.6.2. Накачка полупроводниковых лазеров

Накачку полупроводниковых лазеров можно осуществить различными путями, что действительно было проделано. Например, можно использовать внешний электронный пучок или пучок от другого лазера для поперечного возбуждения в объеме полупроводника. Однако до сих пор наиболее удобным методом возбуждения является использование полупроводника в виде диода, в котором возбуждение происходит за счет тока, протекающего в прямом направлении. В этом случае инверсия населенностей достигается в узкой мкм) полоске между и -областями перехода. Можно выделить два основных типа полупроводниковых лазерных диодов, а именно лазер на гомопереходе и лазер на двойном гетеропереходе (ДГ). Лазер на гомопереходе представляет интерес главным образом благодаря той роли, которую он сыграл в историческом развитии лазеров (так были устроены первые диодные лазеры), однако здесь полезно кратко рассмотреть этот лазер, поскольку это поможет подчеркнуть те большие преимущества, которыми обладают ДГ-лазеры. Действительно, только после изобретения лазера на гетеропереходе (1969 г.) [34-36] стала возможной работа полупроводниковых лазеров в непрерывном режиме при комнатной температуре, в результате чего открылся широкий спектр применений, в которых эти лазеры теперь используются.

6.6.2.1. Лазер на гомопереходе

В лазерах на гомопереходе накачка осуществляется в -переходе, в котором как так и -области выполнены из одного и того же полупроводникового материала (например, GaAs). Как так и -область являются вырожденными полупроводниками, т. е. концентрации акцепторов и доноров в них столь велики , что уровни Ферми для -области попадают в валентную зону, а уровни Ферми для -области — в зону проводимости. Когда переход сформирован,

а нанряжение не прикладывается, оба уровня Ферми имеют одинаковые энергии, т. е. лежат на одной горизонтальной линии на рис. 6.41, а, на котором представлена зонная структура -диода. Когда прикладывается напряжение V, два уровня Ферми становятся разделенными промежутком

Таким образом, если диод смещен в прямом направлении, зонная структура примет вид рис. 6.41, б.

Рис. 6.41. Прпицип действия полупроводникового лазера на основе -перехода и отсутствие смещения (а) и при смещении в прямом направлении (6).

Из рисунка видно, что в области перехода возникает инверсия населенностей. По существу, при смещении в прямом направлении происходит инжекция в активный слой электронов из зоны проводимости материала -типа и дырок из валентной зоны материала -типа. Как только электрон достигает материала -типа, он становится неосновным носителем и диффундирует до тех пор, пока не рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. Поэтому толщина активной области приблизительно равна среднему расстоянию, проходимому электроном до рекомбинации с дыркой. Согласно теории диффузии, толщина дается выражением где — коэффициент диффузии, среднее время существования неосновного носителя до рекомбинации. В GaAs мы имеем не, так что мкм. Наконец, заметим, что, поскольку где — ширина запрещенной зоны, из соотношения (6.38) следует, что . В случае GaAs мы имеем .

На рис. 6.42 приведена типичная конструкция лазера на -переходе. Заштрихованная область представляет собой

активный слой. Видно, что диод имеет небольшие размеры. Чтобы обеспечить необходимую для генерации обратную связь, две выходные плоскости делают параллельными друг другу, обычно посредством скалывания вдоль кристаллографических плоскостей. Во многих случаях на эти поверхности не наносятся отражающие покрытия. Действительно, так как показатель преломления у полупроводника очень большой то на поверхности раздела полупроводник — воздух при френелевском отражении мы уже получаем достаточно высокий коэффициент отражения (около 35% для

Рис. 6.12. Типичный GaAs-лазер с широким -гомопереходом.

Заметим, что, как отмечалось выше, толщина активной области в перпендикулярном к -переходу направлении составляет около 1 мкм. Однако вследствие дифракции поперечный размер лазерного пучка о этом направлении значительно больше толщины активной области мкм). Следовательно, лазерный пучок довольно далеко проникает в и -области, где испытывает сильное поглощение. Это является главной причиной, почему пороговая плотность тока при комнатной температуре в лазере на гомопереходе оказывается высокой для . Вследствие этого лазер не может работать в непрерывном режиме при комнатной температуре (или выйдет из строя через очень короткое время!). Однако пороговая плотность тока в диодном лазере быстро уменьшается с понижением рабочей температуры. Это обусловлено тем, что с понижением температуры величина увеличивается, уменьшается. Поэтому усиление [которое зависит от разности . уравнение (6.34)] быстро возрастает. Вследствие этого лазеры

на гомопереходе могут работать в непрерывном режиме только при низких температурах. Это является серьезным недостатком данного типа лазеров и наложило ограничения на возможности их практического применения.