Устройство и принцип действия полупроводникового лазера с гетероструктурой

Лучшими технико-экономическими показателями обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры. Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциальными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает односторонюю 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 эмитгерной 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 р-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. Еще 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 GaAIAs. Активный слой из р - GaAs с узкой запрещенной зоной имеет, толщину значи­тельно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями Ga_xAI_1-xAs с широкой запрещен­ной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску вытравливают в тонком слое Si0₂, 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 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

Поиск по сайту: