Принцип действия полупроводникового лазера на основе p-n перехода

а) при отсутствии смещения

б) при прямом смещении

рис а)

рис б)

В отсутствии напряжения оба уровня имеют одинаковую энергию. При приложенном напряжении оба уровня изменяются на величину:

Зонная структура б) принимает вид в области p-n перехода, а так же на расстоянии длины квазинейтрального объема возникает инверсная заселенность. В силу того, что энергия оптического перехода меньше энергии переходов с поглощением, вероятность первых переходов выше, чем вторых. Дальнейший процесс рекомбинации вызывает лазерную генерацию. Типичные размеры области не превышают 200-500 мкм.

Отражающие поверхности создаются скалыванием выходных граней полупроводникового монокристалла.

Недостаток такого лазера – размер лазерного пучка составляет около 5 мкм, что значительно превышает область p-n перехода в поперечном направлении (1 мкм), проникает в p- и n- области, где испытывает вильное поглощение, поэтому пороговая плотность тока достигает большой величины: для GaAs и лазер быстро выходит из строя от перегрева. Работоспособен только в импульсном режиме. Для непрерывного режима необходимо охлаждение.

При прямом смещении в областях происходит инжекция неравновесных носителей заряда и в этих областях на расстоянии длины будет происходить рекомбинация неравновесных носителей заряда. При малых плотностях тока высока вероятность спонтанного излучения по отношению к вероятности как спонтанного излучения, так и поглощения. И по спектральным характеристикам появляется узкая линия когерентного излучения. Значение тока, при котором появляется узкая линия когерентного излучения – пороговый ток.

На рисунке показана базовая структура лазера с p-n переходом

Две боковые грани структуры скалываются и полируются строго перпендикулярно плоскости p-n перехода.

Две другие грани делаются шероховатыми для исключения излучения в направлениях не совпадающих с главным.

Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока. В начале при низких значениях тока возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При повышении смещения ток достигает порогового значении и p-n переход испускает ионохроматичный луч света, направленный в плоскости p-n перехода.

Лазерная гетероструктура.

С целью снижения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктуре с одним гетеропереходом.

На основе твердых растворов:

С двумя гетеропереходами:

Использование гетеропереходов позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере диода и снизить пороговый ток.

Схематично структура с двумя гетеропереходами изображена на рисунке:

В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами. Излучение так же ограниченно этой областью, вследствие скачкообразного снижения показателей преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно снижают порог плотности тока.

В области гетеропереходов возникает волновой эффект и излучение лазера проходит в области, параллельной плоскости гетероперехода.

Активная область – слой GaAs толщиной 0,1-0,3 мкм.

Такой структуре удалось снизить порог плотности тока почти на 2 порядка ( ).

По сравнению с устройством на гомопереходе, лазер получил возможность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Снижение пороговой плотности происходит из за того, что оптические и энергетические характеристики слоев, участвующих в переходах, таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки эффективно удерживаются в активной области. Лазерный пучок сосредоточен так же, где и происходит его усиление. Длина волны излучения лазера λ=0,85 мкм попадает в диапазон, в котором оптический волоконный кварц имеет минимальное количество потерь. Разработаны и широко внедрены лазеры на материалах GaAs с присадками In,P с длиной волны λ=1,35-1,6 мкм, которые так же попадают в окна прозрачности оптического кварца.

Снижением полоски лазера с полозковой геометрией удалось довести пороговый ток до 50мА, а КПД до 60%.

Дальнейшее развитие лазеров на двойной гетероструктуре лежит на основе полупроводниковых материалов.