Полупроводниковый инжекционный лазер

Если активная область имеет проводимость дырочного типа, то условная запись такой структуры имеет вид п-р*-Р, где прописная буква использована для обозначения широкозонного материала, а звездочкой обозначена активная область. Толщина активной области не превышает длины диффузии инжектированных носителей, иначе влияние р*-Р -границы будет несущественным. Эта граница предотвращает диффузионное растекание неосновных носителей и, таким образом, ограничивает объем активной области. Пассивные области гетероструктуры часто называют эмиттерами. В ОГС, следовательно, имеется n-эмиттер и Р-эмиттер, поставляющие в активный слой, соответственно, электроны и дырки (рис. 3, а).В двусторонней гетероструктуре (ДГС) оба эмиттера представляют собой материал, более широкозонный по отношению к активной среде; структуры могут быть типа Р - р* - N и Р - п* - N (рис. 3,б). Такие гетероструктуры обеспечивают не только электронное ограничение, но и эффективно предотвращают дифракционные потери излучения, т.е. обеспечивают оптическое ограничение (благодаря сильному волноводному эффекту). В результате именно в ДГС достигается наименьшая пороговая плотность тока (для комнатной температуры это 0,5— 1 кА/см2).Гетероструктуры с раздельным ограничением представляют собой модификацию ДГС и содержат между широкозонными Р- и М-слоями не один слой, как ДГС, а два или три слоя (рис. 3, в). Это дает возможность раздельно управлять толщиной активного слоя (на рис. 3, в это рослой) и толщиной волноводного слоя, включающего, кроме активного слоя, еще и эмиттерные слои Р' и N' (последние обладают промежуточным значением Eg между активным слоем и слоями Р и N) Структуры с расширенным волноводом (по сравнению с активным слоем) иногда фигурируют под названием LOC-структуры.Особую разновидность представляют структуры с инжектирующим контактом, отделенным от активного слоя (рис. 3,г) и вынесенным на некоторое (достаточно малое по сравнению с длиной диффузии) расстояние в широкозонную область. Инжектированные носители снезначительными потерями собираются в узкозонном слое, который представляет для них потенциальную яму. Замечено, что область р-п-перехода, вынесенная за пределы активной области, может при продолжительной работе лазера притягивать подвижные точечные дефекты, что, предположительно, улучшает ресурсные характеристики таких лазеров.Рис. 3. Схемы основных типов лазерных гетероструктур с зонными диаграммами в режиме накачки: односторонняя ("одинарная") гетероструктура, ОГС (в); двусторонняя ("двойная")'гетероструктура,ДГС (б); то же с раздельным ограничением, ДГС-РО (в); то же с отделенным p-n переходом (г)Варизонные гетероструктуры [5, 6] отличаются тем, что гетерограницы в них размыты в некоторые переходные области с переменной шириной запрещенной зоны. В таких областях движение носителей подвержено влиянию так называемого "квази электрического" поля, связанного с градиентом Eg, что используется для сбора их в активной области.Обратимся теперь к полосковым структурам. Перед лазерными диодами с широким контактом полосковые диоды имеют следующие преимущества:– малая величина порогового тока в силу малой площади активной полоски;– улучшенные условия теплоотвода (двумерное растекание тепловой энергии в толще диода);– простая модовая структура, т.е, малое число поперечных мод в резонаторе, вплоть до единственной моды; исключение параллельных пространственных каналов генерации;– малые размеры излучающей области на зеркале резонатора.Рекордно малые значения порогового тока в полосковых гетеролазерах доведены при комнатной температуре до 5-10 мА, а излучающее пятно уменьшено до размеров одного квадратного микрометра (10-8 см2). Некоторые разновидности полосковых гетеролазеров способны собны генерировать строго одночастотное излучение, свободное от динамических нестабильностей (пичков или пульсаций). Лазеры полоскового типа работают в непрерывном режиме в широком диапазоне температур (максимальная температура достигает 160 °С) и являются почти идеальным источником для волоконно-оптических линий связи.Разработано большое число разновидностей полосковых лазерных структур [3, 4, 7, 8], которые удобно подразделить на планарные и непланарные структуры. Планарные структуры изготовляются как обычные структуры для диодов с широкими контактами и в дальнейшем обрабатываются методами планарной технологии. Непланарные структуры изготовляются с использованием повторной процедуры заращивания рельефной подложки и т.п., хотя на конечном этапе могут также обрабатываться методами планарной технологии. По существу устройства следует выделить способы электрического, электронного и оптического н ‘ ■ ограничения полоскового лазерного канала. Электрическое ограничение или изоляция состоит в том, чтобы сконцентрировать линии тока в полосковой области. Для того чтобы предотвратить растекание тока за пределы активной полоски, используются следующие способы:– оксидная изоляция - нанесение диэлектрической пленки на кон- ~ тактную поверхность с полосковым окном, изготовленным методом фотолитографического травления;– изоляция путем протонной бомбардировки или ионной имплантации; обе процедуры могут вносить в приповерхностный слой глубокие уровни, на которых локализуются равновесные носители, и, тем самым, проводимость приповерхностного слоя резко уменьшается. Глубина залегания и толщина изолирующего слоя зависят от сорта и энергии бомбардирующих частиц и колеблются от 0,1 до ~ 2 мкм;– изоляция путем вариации контактной разности потенциалов по инжектирующему контакту основана на том, что в области активной полоски p-nпереход находится в узкозонном материале, а вне ее - в широкозонном, Контактная разность потенциалов меньше в узкозонной области, и отпирание p-nперехода происходит прежде всего в этой области, тогда как вне ее плотность тока мала. Этот метод не столь эффективен, как два предыдущих;– изоляция с помощью встречных p-nпереходов осуществляется за счет того, что линии тока вне активной полоски пересекают р-п-пе- реход обратной полярности по отношению к инжектирующему контактув активной полоске. Для этого в структуру вне полоски вводятся области с "плавающим" потенциалом (типа р-п-р или п-р-п), так что линии тока должны пересечь два встречных р-пперехода, один из которых будет смещен в обратном направлении и, следовательно, заперт;– мезаструктуры обеспечивают изоляцию за счет того, что в боковых направлениях вне полоски материал диода стравлен. Обычно для удобства ограничиваются вытравливанием канавок по обе стороны от полоски. Остальная часть диода должна изолироваться другими способами.В заращенных мезаполосковых структурах области вне полоски заполняются либо плохо проводящим материалом, либо содержащим встречные р-п переходы.Помимо электрического ограничения, играющего решающую роль в формировании полосковой структуры, применяется электронное боковое ограничение — предотвращение диффузии носителей вдоль узкозонного слоя в области вне полоски. Для этого полоска ограничивается с боковых сторон гетеропереходами. Наконец, боковое оптическое ограничение для пространственной фиксации лазерного канала, состоящее в формировании трехмерного волновода, обеспечивается путем введения гетеропереходов, боковых вариаций легирования, толщины волновода или комплексной константы распространения.Комбинации этих методов дают большой выбор полосковых структур, для классификации которых удобно использовать табл. 1. На рис. 5 показаны сечения некоторых структур.Рис. 5. Схемы сечения полосковых гетеролазеров различных типов: с полосковым контактом (а); глубокая мезаполоска {б); заращенная мезаполоска (в); с изоляцией с помощью глубокой имплантации протонов или ионов кислорода (г); с внутренней полосковой изоляцией с помощью встречных р-п-переходов (0); с диффузионной полоской (г); с поперечным р-п-переходом (ж); с изоляцией встречным переходом («); то же с волноводным утолщением (к); с каналом "канавкой" в подложке и серповидным сечением активной области (л). Обозначения: 1- слой металла, II - слой изолятора, III - слои полупроводника высокого сопротивления, IV — активная область; 1 — приконтактный слой (чаще всего р-типа); 2 - широкозонный материал (р-типа); 3 - то же другого типа проводимости (n-типа); 4 - материал подложки (n-типа); 5 - материал заращиванияЗаключениеСпециально изготовленные светодиоды могут излучать когерентный свет ("лазер" - light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света за счёт вынужденного излучения). Для этого необходимо создать в активном (излучающем) слое структуры инверскую ("сгущенную") заселённость энергетических уровней, т.е. осуществить очень сильное заполнение электронами возбуждённых уровней. В этом случае излучение, возникшее при первых рекомбинациях электронов и дырок, вызывает вынужденные переходы других электронов на нижние энергетические уровни, причём возникающее излучение имеет строго ту же частоту и плоскость поляризации, что и первоначальное. Если свет имеет возможность многократно пройти область инверской заселённости, то возникает интенсивное вынужденное излучение. С этой целью применяют отражающие поверхности на противоположных гранях образца, в пространстве между которыми образуются стоячие световые волны. Зеркалами могут служить грани кристалла, полученные, например, при скалывании краёв образца.Для изготовления лазеров используют полупроводники с прямыми зонами, например GaAs или GaAlAs, в которых возможны переходы электронов без участия фотонов. Создание инверской заселённости уровней происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче достигается в гетеропереходах (гомопереходы - p - n - переходы, созданные в одном и том же веществе, т.е. которые мы рассматривали для обычных диодов; гетеропереходы получают между p - и n - областями материалов с различной шириной запрещённой зоны, что даёт, например, многоступенчатую форму p - n - перехода), изготовленных на основе материалов с высокой концентрацией примесей. Усиление света происходит только вдоль направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области p - n - перехода через полупрозрачную отражающую поверхность выходит узкий луч когерентного излучения.Список использованных источниковБасов Н.Г., Вул Б М., Попов Ю.М. Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний. - ЖЭТФ, 1959, т. 37, с. 587.Басов ИХ., Крохиy О.Н., Попов Ю.М. Генерация, усиление и индикация инфракрасного и оптического излучения с помощью квантовых систем. - УФН, 1961, т. 72, с. 161-205.Басов Н.Г? Крохин О.Н., Попов Ю.М. Получение состояний с отрицательной температурой в p-nпереходах вырожденных полупроводников. - ЖЭТФ, 1961,т. 40, с. 1879-1880.Bernard M., Durrafourg G. Laser condition in semiconductors. 1961, V. 1, N 2, р. 699-703.На11 R.N., Fenner G.E., Kingsley J.D. Coherent light emission from GaAs junctions 1962, V. 9, N 9. p. 366—378.Багаев В.С., Басов Н.Г., Вул Б.М. и др. Полупроводниковый квантовый генератор на p-nпереходе в GаАs. - ДАН СССР, 1963, т. 150, Ч 2, с. 275-278.Велъхер Г., Вейсс Г. В сб. Новые полупроводниковые материалы. - М.: ИЛ1958, с. Горюнова И.А. Химия алмазоподобных полупроводников. - Л.-: Изд-во ЛГУ, 1963, с. 92.9Наследов Д.И., Рогачев А.А., Рывнин СМ., Царенков Б.В. Рекомбинационное излучение арсенида галлия. - ФТТ, 1962, т. 4, с. 1062-1065.Елисеев П.Г., Страхов В.П. Полупроводниковый квантовый генератор непрерывного действия с выходной мощностью в несколько ватт. — ЖТФ, 1970, т. 40, с. 1564-1565.Дрожбин Ю.А., Захаров Ю.П., Никитин ВЗ. и др. Генерация ультракоротких световых импульсов на ПКГ на GаАs. - Письма в ЖЭТФ, 1967, т. 5, с. 180.Курносов В.Д., Плешиов А.А., Ривлин Л.А. а др. Динамика излучения полупроводниковых квантовых генераторов. Труды IX Международной конференции по физике полупроводников. - Л.: Наука, 1969, т. I, с. 582-585.Багаев В.С.? Церозашвили Ю.Н., Вул Б.Я. и др. О механизме рекомбинационного излучения арсенида галлия, - ФТТ, 1964, т. 6, ДО 5, с. 1399-1401.Алферов Ж Л., Андреев В.М., Гарбузов ДЗ. и др. Исследование влияния параметров гетероструктуры на пороговый ток лазеров и получение непрерывного режима генерации при комнатной температуре. - ФТП, 1970, т. 4, с. 1826-1830.Долгинов Л.М'., Дружинина Л .В., Елисеев П .Г. и др. Новый неохлаждаемый инжекционный гетеролазер в диапазоне 1,5-1,8 мкм. - Квантовая электроника, 1976, т. 3, М 2, с. 465-466.