Полупроводниковые лазеры с гетеропереходом

Высокий к. п. д., простота метода накачки (источник напряжением 1,5 В, позволяющий давать ток 10—100 мА) и метода модуляции выходного излучения (просто модуляцией тока инжекции) полупроводниковых лазеров делают их очень привлекательными для различных применений. Однако применение этих лазеров ограничивалось тем, что для получения в них непрерывной генерации требовалось охлаждать их до низких температур (обычно до температуры жидкого азота, т. е. до 77 К). Эта проблема была решена путем замены диодов, основанных на р— n-переходах, диодами на гетеропереходах. [4]

Гетеропереход – это контакт двух различных полупроводников.

Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в многослойных полупроводниковых структурах (гетероструктурах). Для создания лазера используют односторонние и двусторонние гетероструктуры, а так же некоторые модификации двусторонних гетероструктур.

Односторонние гетероструктуры (ОГС). Толщину области, в которой имеется инверсия заполнения, удается легко ограничить, если на желательном расстоянии от р – n-перехода поместить р-р-гетеропереход с более широкозонным полупроводником. Если в гетеропереходе имеется барьер для электронов проводимости высотой, заметно большей чем kT, то он предотвратит диффузию электронов в глубь р-области. Далее, если такой гетеропереход достаточно совершенен, то электроны, достигающие его, будут отражены барьером назад в активный слой, а нерекомбинируют безызлучательно, как это обычно имеет место на поверхности полупроводникового кристалла. [1]

Успеху применения гетеропереходов в инжекционных лазерах благоприятствовало одно важное обстоятельство. Дело в том, что создание совершенных гетеропереходов требует предельного совпадения кристаллографических характеристик материалов, составляющих гетеропереход. Таким условиям удовлетворяет пара арсенид галлия – арсенид алюминия. Арсенид галлия и арсенид алюминия имеют одинаковый тип кристаллической решетки и почти одинаковые периоды решетки. Конечно, совпадение не носит абсолютного характера. [1]

Недостатком лазеров на ОГС является невозможность использования тонких активных слоев (тоньше чем 1-1,5 мкм).

Двусторонние гетероструктуры (ДГС) свободны от этого недостатка. [1]

В диодах на двойных гетероструктурах (рисунок 5) между двумя различными материалами имеются два перехода: и GaAs- . Активная область представляет собой тонкий слой из GaAs (толщиной меньше 1 мкм). Непрерывная генерация достигается благодаря следующим трем эффектам:

1)Показатель преломления значительно меньше показателя преломления GaAs (η = 3,4 при х = 0,4, тогда как η = 3,6 при х = 0). Это означает, что лазерная генерация теперь сосредоточена в слое GaAs, т. е. в области, где имеется усиление. В отличие от р—n-перехода поле излучения уже не проникает в область, не подверженную накачке (и, следовательно, обладающую поглощением).

2)Активная область теперь является намного более определенной, и поэтому размеры ее меньше. При одной и той же плотности тока плотность электронов в активной области теперь больше и, следовательно, усиление увеличивается.

3)Значительно улучшен теплоотвод от диода путем приклеивания подложки из GaAs (n) к пластине из алмаза (или олова), которая благодаря своей массе и теплопроводности хорошо отводит тепло. Эти усовершенствования позволили снизить пороговую плотность тока до ~10³ А/см² (в то время как порог генерации работающего при комнатной температуре импульсного диода с р—n-переходом в 100 раз выше). [4]