Лазер на двойном гетеропереходе

Ограничения, отмеченные в предыдущем разделе, сдерживали широкое использование полупроводниковых лазеров до тех пор, пока не были предложены вначале одинарные гетеропереходы, а вскоре после этого — двойные гетеропереходы. Мы ограничимся тем, что рассмотрим последний тип перехода, поскольку только он обычно и применяется. Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис. 6.43 приведен пример лазерной структуры с двойным гетеропереходом в GaAs. В этом диоде реализованы два перехода между различными материалами [Al_0.3Ga_0.7As(p) — GaAs и GaAs — Al_0.3Ga_0.7As(n)]. Активная область представляет собой тонкий слой GaAs (0,1 - 0,3 мкм). В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной температуре можно уменьшить примерно на два порядка (т.е. до ~10³ А/см²) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих 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 6.44, а). Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т. е. в области, в которой имеется усиление.

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 (рис. 6.44,0). Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление.

3) Поскольку E_g2 значительно больше, чем E_g1 лазерный пучок с частотой ν ≈ E_g1/h почти не поглощается в Al_0.3Ga_0.7As. Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в р-, так и в n-области (рис. 6.44, б), не испытывают там сильного поглощения.

До сих пор мы рассматривали лазер с двойным гетеропереходом на GaAs. Длина волны его излучения (λ = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором мы имеем минимум потерь в оптическом волокне из плавленого кварца (первое окно пропускания). В настоящее время усиленно разрабатываются лазеры с двойной гетероструктурой, работающие на длине волны либо λ ≈ 1,3 мкм, либо λ ≈ 1,6 мкм, на которых наблюдаются два других минимума потерь оптического волокна (второе и третье окна пропускания), поскольку потери в этих минимумах существенно меньше.

Здесь наибольший интерес в качестве активной среды представляет четырехкомпонентный сплав In_{1 x}Ga_xAS_yP_1-y, где р~ и n-области переходов выполняются из бинарного соединения InP. В этом случае добавляется новое условие, которому необходимо удовлетворить: постоянная решетка четверного сплава должна совпадать с постоянной решетки InP (с точностью порядка 0,1 %). Если это условие не выполняется, то слой четверного сплава, эпитаксиально выращенный на подложке из InP, приведет к достаточно сильным напряжениям, которые рано или поздно разрушат переход. Если выбрать значения параметров х и у четверного сплава таким образом, чтобы у ≈ 2,2х, то решетка четверного сплава согласуется с решеткой InP. Выбирая соответствующим образом х можно получать длину волны излучения в диапазоне 0,92—1,5 мкм.