Материалы для полупроводниковых лазеров

Таблица 1 – Перечень материалов полупроводниковых лазеров и светодиодов
Материал Длина волны излучения, мкм Метод возбуждения GaAs 0,90 Инжекционный, электронный, оптический InSb 5,3 Инжекционный, электронный, оптический InAs 3,1 Инжекционный, электронный, оптический GaSb 1,6 Инжекционный, электронный инжекционный GaР 0,7; 0,9 Инжекционный, электронный инжекционный GaxAl1-xAs 0,90—0,73 Инжекционный, электронный инжекционный InAsxP1-x 0,97-3,15 Инжекционный, электронный инжекционный ZnS 0,33 Электронный. инжекционный CdS 0,49 Электронный, оптический CdTe 0,8 Электронный, инжекционный SiC 0,38 Электронный
Один из распространённых примеров принципа действия инжекционного лазера – это простейшая конструкция лазера p-n-гомоперехода в GaAs, которая представлена на рис. 6 [12].
В данном случае р- и n-области лазерного диода достаточно сильно легированы для того, чтобы обеспечить высокие концентрации носителей в области рекомбинации. Две плоскопараллельные грани диода, которые получены путем скалывания кристалла GaAs вдоль плоскостей спайности {110}, будут образовывать грани резонатора Фабри-Перо. При этом каждые из других боковых поверхностей диода однозначно будут загрубляться для исключения генерации света в поперечном направлении. Такие исследования проводятся очень активно и представляют практический интерес при исследованиях лазерных технологий.










Рисунок 6 – Внешний вид структуры лазера с р-n-переходом и резонатором Фабри-Перо

В случае пропускания через р-n-переход диода прямого тока будет происходить явление интенсивной рекомбинации электронов и вакансий. По причине того, что в результате таких действий возникнет более высокая подвижность электронов, то будет преобладание их инжекции. При этом произойдет примыкание области рекомбинации к ОПЗ со стороны именно р-области.
Также в данной ситуации необходимо учитывать тот факт, что по причине того, что GaAs – это прямозонный полупроводник, который имеет высокий внутренний квантовый выход, то рекомбинация в данном случае будет сопровождаться излучением фотонов (рис. 7) [13].
Также при данных исследованиях происходит изучение специалистами спектра спонтанного излучения инжекционного лазера из GaAs в случае малого тока инжекции (рис. 8, а). При этом возможно поглощение спонтанно излученных фотонов в объеме полупроводникового материала индуцирование вынужденных рекомбинационных переходов с последующим излучением фотонов. При этом фотон, который излучен при вынужденной рекомбинации, будет обладать той же частотой, направлением распространения и фазой, что и фотон, который индуцировал рекомбинацию.






Рисунок 7 – Внешний вид схемы возникновения лазерного излучения












Рисунок 8 – Внешний вид спектров излучения лазера на GaAs (при температуре 77 К) при различных токах инжекции: а - очень малый ток инжекции; б - ток немного ниже порогового; в - ток слегка превышает пороговый

Также в данном случае будет происходить сужение спектра излучения, в результате чего возникнет режим суперлюминесценции (рис. 8, б). При этом в случае превышения порога мощность излучения диода значительно увеличится (рис. 9) и выражение для нее принимает вид порогового тока:









Рисунок 9 – Внешний вид зависимости мощности излучения от тока накачки лазера на двойной гетероструктуре AlxGa1–xAs/GaAs/AlxGa1–xAs при комнатной температуре

В режиме лазерной генерации в резонаторе Фабри-Перо возникают стоячие волны. Поэтому на резонансных частотах между гранями резонатора лазерного диода должно укладываться целое число полуволн:


где па является показателем преломления активной области; L - длиной резонатора; m - целым числом. Используя условие (7) и пренебрегая зависимостью показателя преломления от длины волны, можно рассчитать частотный интервал Δν между ближайшими пиками генерации (рис. 8, в):


Видно, что чем меньше длина резонатора диода, тем больше расстояние между пиками.

Заключение

В заключении отметить, что полупроводниковые лазеры находят широкое применение в различных исследованиях в области физики, медицины и вооружения. Поэтому современные темпы развития общества диктуют условия о получении новых полупроводниковых материалов, которые активно используются в этом высокотехнологичном оборудовании.
В данной работе достигнута основная цель – описание материалов для полупроводниковых лазеров.
В данном реферате были решены следующие задачи:
приведены основные понятия, связанные с полупроводниковыми лазерами;
описано применение материалов в полупроводниковых лазерах.
Также в процессе написания реферата были использованы современные и классические источники литературы и глобальной сети Internet.

Список использованной литературы

Полупроводниковый лазер – Википедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводниковый_лазер, свободный. – Загл. с экрана.
Басов Н. Г. Полупроводниковые квантовые генераторы / Н. Г. Басов, П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов // Успехи физических наук. 1965. Т. 85, вып. 4. С. 585-598.
Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: Машиностроение, 1978. — 336 с.
Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1976. — 416 с.
Электроматериалы [Текст] : учеб. пособие / Б.М. Тареев, Н.В. Коротков, В.М. Петров, А.А. Преображенский; Под ред. Б.М. Тареева. - М. : Высшая школа, 1978. - 336 с.
Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. — М.: ДОСААФ, 1988 — 190 с.
Амосова Л.П., Комолов В.Л. Полупроводниковые и жидкокристаллические устройства для систем оптической обработки информации. Учебное пособие. — СПб.: НИУ ИТМО, 2014. — 122 с.
Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники. Учебное пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ульяновск: УлГТУ, 2015. — 223 с.
Парфенов В.В., Закиров Р.Х. Полупроводниковый инжекционный лазер/ В.В. Парфенов, Р.Х. Закиров. – Казань: Казан. ун-т, 2014. – 20 с.
Марисов М. А. Современные инжекционные полупроводниковые лазеры.// М. А. Марисов, А. С.Низамутдинов, В. В.Семашко. //Институт Физики Казанского (Приволжского) федерального университета, Казань. – 2014. – 65 с.
Величанский В.Л., Егоров В.К. Инжекционный лазер. Лабораторный практикум. — Москва: МИФИ, 2008. — 124 с.
Гермогенов В.П. Материалы, структуры и приборы полупроводниковой оптоэлектроники. Учебное пособие. — Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2015. — 272 с.
Лекции по материаловедению и ТКМ. Ахметгареев Р.Р. и др. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра материаловедения и ТКМ, 2004. - 90 с.










2