Накачка полупроводниковых лазеров

Наиболее удобным методом накачки п.п. лазера является накачка п.п. в виде диода, в котором возбуждение происходит за счет тока, протекающего в прямом направлении. В этом случае инверсия населенностей достигается в узкой (~1 мкм) полоске между p- и n- областями перехода. Имеется два основных типа лазерных диодов: лазер на гомопереходе и двойном гетеропереходе.

1. Лазер на гомопереходе

В лазере на гомопереходе накачка осуществляется в p-n-переходе. Эти области являются вырожденными п.п. (концентрация акцепторов и доноров ~10¹⁸ атомов/см³). Уровни Ферми попадают в валентную зону и зону проводимости для p- и n-областей, соответственно. В таком переходе оба уровня Ферми имеют одинаковые энергии. Когда прикладывается напряжение V, уровни становятся разделенными промежутком ΔE=eV. Оба случая изображены на рис.

Из рис. видно, что в области перехода возникает инверсия населенностей. При смещении в прямом направлении происходит инжекция электронов в активный слой из зоны проводимости. Достигнув материала р-типа, электрон становится неосновным носителем заряда и диффундирует, пока не рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. Поэтому толщина активной области d приблизительно равна расстоянию, которое электрон пролетает до рекомбинации. Эта толщина дается выражением d=√Dτ, где D - коэффициент диффузии, τ - время существования неосновного носителя до рекомбинации. В арсениде галлия D=10 см²/с, а τ≈1 нс, так что d≈1мкм.

Чтобы обеспечить генерацию, вводят обратную связь в виде зеркал - сколов по плоскостям спайности перпендикулярным плоскости активного слоя. Толщина активного слоя d≈1мкм. Однако вследствие дифракции поперечный размер лазерного пучка составляет ≈5мкм. Следовательно, пучок далеко проникает в п.п. за пределы активного слоя, где сильно поглощается. Это основная причина низкой эффективности лазера. Помимо этого следует учесть, что на границах активной области не достигаются пороговые условия генерации, т.к. очень велика разность в концентрации электронов и дырок.

2. Лазер на двойном гетеропереходе

В полупроводниковых лазерах обычно применяют структуру с двойным гетеропереходом.

Монокристаллы Al_xGa_1-xAs(p)-GaAs- Al_xGa_1-xAs(n) имеют почти идеальное совпадение размеров элементарной ячейки вплоть до х=0,4. Это позволяет создавать идеальный переход между структурами, размеры переходной области составляют несколько элементарных ячеек. Для приведенной структуры при х=0,3 активная область представляет собой слой GaAs толщиной 0,1-0,3 мкм. Пороговая плотность тока уменьшается с 10⁵ А/см² до 10³ А/см².

Уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря действию трех факторов: 1) Показатель преломления GaAs (n₁≈3,6) значительно больше показателя преломления Al_0,3Ga_0,7As (n₂≈3,4), что приводит к образованию оптической волноводной структуры (рис.). Лазерный пучок будет теперь сосредоточен практически полностью в слое GaAs, т.е. в области, в которой имеется усиление (см. рис.). 2) Ширина запрещенной зоны E_g1 в GaAs (~1,5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны E_g2 в Al_0,3Ga_0,7As (~1,8 эВ). Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое. Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит,увеличивается усиление. 3) Поскольку E_g2 значительно больше, чем E_g1, лазерный пучок с частотой ν≈ E_g1/h почти не поглощается Al_0,3Ga_0,7As. Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие в p- и n-области, не испытывают там сильного поглощения.