8.5.   Полупроводниковый инжекционный лазер на гомопереходе

Полупроводниковым лазером называют полупроводниковый прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения.

Для работы лазера требуется, чтобы стимулированная фотонная рекомбинация преобладала над поглощением фотонов. Это соотношение зависит от населенности энергетических уровней в кристалле. В состоянии термодинамиче­ского равновесия число электронов в валентной зоне во много раз больше, чем в зоне проводимости, поэтому поглощение света пре­обладает над вынужденным излучением. Для преобладания сти­мулированной фотонной рекомбинации необходимо, чтобы кон­центрация электронов в зоне проводимости была выше их кон­центрации в валентной зоне. Такое состояние называют инверсной населенностью уровней. Поглощение фотонов в кристалле с ин­версной населенностью энергетических уровней мало, так как вблизи верхней границы валентной зоны отсутствуют электроны, которым фотон передает энергию при поглощении.

Наиболее рас­пространенный способ создания инверсной населенности в полу­проводнике – инжекция носителей заряда при прямом включе­нии р-п-перехода, поэтому такие лазеры называют инжекционными. Инжекционные лазерные диоды могут рассматриваться как оптический генератор с внутренним оптическим усилением и обратной связью.

Действие полупроводникового лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в р-область, где происходит их фотонная рекомбинация с имеющимися там дырка­ми. Инверсную населенность получают в структуре с вырожден­ной n-областью. Минимальный ток, при котором преобладает сти­мулированная фотонная рекомбинация, называют пороговым.

Рассмотрим устройство полупроводникового лазера из арсенида галлия (рис. 8.11).

Две противоположные грани 2 структуры сделаны строго параллельными и тщательно отполированны, а две другие 3 – скошены, структура поэтому является оптиче­ским резонатором. Все световые волны, направленные под углом к плоскости р-п-перехода после нескольких отражений от граней кристалла, выходят наружу и не усиливаются. Лазерное излуче­ние 1 образуется в результате согласованного стимулированно­го перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону во всей излучающей части р-области 4. Поэтому пространствен­ная направленность и когерентность сохраняются для всего фрон­та выходящего светового луча.

При малом токе через р-п-пере­ход излучение происходит в большом спектре длин волн (светодиодный режим). С ро­стом тока до порогового значения излучение становится стимули­рованным и, следовательно, монохроматичным. В инжекционном лазере на p-n-переходе трудно обеспечить высокую пространственную концентрацию рекомбинирующих носителей заряда из-за их диффузии в глубину областей кристалла. Поэтому эффективность процессов генерации света в таких переходах довольно невысока. В итоге лазер на гомопереходе имеет низкий квантовый выход порядка 2 – 3  % и относительно высокую плотность порогового тока.

Большие плотно­сти тока через р-п-переход позволяют использовать его только в импульсном режиме и приводят к постепенному ухудшению параметров инжекционных лазеров. Сильное легирование кри­сталлов примесными атомами вызывает образование многочислен­ных дефектов структуры, что отрицательно сказывается на пара­метрах лазеров.