8.6.   Полупроводниковый инжекционный лазер на гетеропереходах

Отмеченные недостатки лазеров на гомопереходах устраняются, если в инжекционных лазерах используют гетеропереходы с р-i-n-структурой (или с р-п-п+, п-р-p+-структурой). В таком лазере средняя область состоит из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зо­ны, а примыкающие к ней области – из полупроводников с боль­шей шириной запрещенной зоны. При прямом направлении напря­жения для р-п-перехода происходит инжекция электронов и ды­рок в среднюю область, где они рекомбинируют с излучением све­та. Инверсная населенность в гетеропереходах обеспечивается при высоком уровне инжекции носителей заряда в среднюю область с узкой запрещенной зоной, поэтому нет необходимости в сильном легировании. Пороговая плотность тока в гетеролазерах снижает­ся на порядок, а квантовый выход повышается с 2 – 3 до 70 %.

Для предотвращения растекания носителей были разработаны многослойные светоизлучающие структуры (рис. 8.12), у которых средний слой имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем у прилегающих к нему крайних слоев полупроводника. Переходы такого типа называют гетеропереходами.

На границах среднего слоя образуются потенциальные барьеры, ограничивающие продвижение электронов в p-область, а дырок – в n-область. В такой структуре средним активным слоем служит материал с меньшей шириной запрещенной зоны, а эмиттерами  – материалы с большей шириной запрещенной зоны. Известно, что гетеропереходы отличаются высоким отношением инжекционного тока из широкозонного полупроводника в узкозонный к обратному. При включении диода в прямом направлении происходит инжекция электронов и дырок в среднюю область толщиной 0,1 – 0,2 мкм, где они и рекомбинируют с излучением света. На рис. 8.12 приведена энергетическая диаграмма структуры, где материалами областей являются тройные соединения:

Подпись:  
Рис. 8.12. Энергетическая диаграмма инжекционного лазера на гетеропереходах
;       ;

.

Различная ширина запрещенной зоны получается за счет изменения соотношения компонентов (значения x). Неоднородность показателя преломления, возникающая в гетероструктуре, действует подобно фокусирующей линзе, собирающей излучаемый свет в активном слое, что также способствует повышению общей эффективности излучения лазера.

Инверсия населенностей в таком лазере достигается высоким уровнем инжекции электронов и дырок в узкозонную часть. Поэтому нет необходимости в высоком уровне легирования активной области. В результате этого резко снижаются потери излучения в активной области, а следовательно, и пороговая плотность тока, которая в настоящее время для гетеролазера, работающего при комнатной температуре,

порядка 900 . Квантовый выход у лучших образцов достигает 70 %. Ширина активной области в гетеролазере может быть много больше ширины активной области лазера на гомо-p-n-переходе, поэтому в гетеролазере могут быть получены гораздо большие интенсивности излучения. Снижение пороговых токов обеспечивает снижение рабочего тока, что приводит к уменьшению деградационных эффектов. Лазерные диоды с двойными гетеропереходами (см. рис. 8.12) позволили получить непрерывную генерацию света при комнатной температуре и сравнительно небольших токах накачки.

Обратная связь в оптическом генераторе осуществляется за счет полированных торцевых поверхностей, которые образуют оптический резонатор Фабри-Перо. Эти полированные поверхности параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости p-n-перехода. Они действуют как зеркала для возвращения света в область резонатора, тем самым реализуя обратную связь. Зеркала такого резонатора имеют коэффициент отражения около 30 %, примерно 70 % световой энергии выходит из кристалла. Отраженный свет стимулирует переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону, где они рекомбинируют, увеличивая поток фотонов на выходе. Вообще, чем длиннее резонатор, тем больше усиление. При достаточной оптичес
кой обратной связи и усилении происходит генерация лазерного излучения.

Если плоскость p-n-перехода имеет форму, близкую к квадрату со стороной в несколько сотен микрометров (ширина резонатора примерно равна его длине), то для возбуждения активного слоя по всей площади перехода требуется весьма значительный ток, приводящий к нежелательному разогреву кристалла. Другим недостатком лазерных диодов с широкой активной областью является пространственная неоднородность свечения: излучение обычно сосредоточено в одном или нескольких пятнах – каналах генерации, случайно расположенных по излучающему торцу лазерного диода. Оба недостатка удается устранить в лазерах с активной областью в виде полоски шириной в несколько микрометров (рис. 8.13).

Номинальные размеры резонатора инжекционного гетероструктурного лазера непрерывного действия:

· длина (продольная) – от 100 до 400 мкм;

· ширина  (d) (боковая) – от 1 до 20 мкм;

· толщина (поперечная) – не более 1,0 мкм.

Рис. 8.13. Структура инжекционного лазера непрерывного действия (а)

и пример его конструкции (б): 1 – металлический контакт; 2 – GaAlAs n-типа;

3 – GaAs p-типа; 4 – GaAlAs p-тип; 5 – изолирующий слой ;

6 – металлический контакт

Инжекция носителей тока через проводящий контактный слой происходит только в узкой активной области, а прохождению тока возбуждения через остальные области перехода препятствуют изолирующие слои, специально сформированные при изготовлении лазера.

Подпись:  

Рис. 8.14. ВАХ инжекционного лазера
Оптическая генерация может существовать вдоль любого размера резонатора. Два размера (боковой и поперечный) являются нежелательными, так как они приводят к зависящим от времени флуктуациям мощности излучения поперек излучающей поверхности. В случае если существуют боковые или поперечные моды, лазер описывается как многомодовый. Боковые моды подавляются за счет низкого усиления, которое получается при наличии короткого оптического пути.

Одним из механизмов подавления боковых мод является контроль за шириной распределения инжекционного тока («полосковая» геометрия), то есть выполнение активной области достаточно узкой для получения низкого усиления. Другой механизм бокового ограничения базируется на реализации определенной закономерности показателя преломления материала в плоскости активного слоя, который выполняет роль оптического волновода. Уменьшение показателя преломления на боковых гранях резонатора вызывает уменьшение преломления света обратно в резонатор.

В идеальном случае при генерации лазерного излучения должна возбуждаться только одна продольная мода. В действительности же в процессе генерации возникает несколько продольных мод. Возможность существования одновременно нескольких мод объясняется тем, что длина кристалла значительно больше длины волны лазера и образуется множество резонансных мод резонатора. Наличие нескольких мод ухудшает когерентность излучения лазера.

Другими словами, генерация света на выходе прибора существует на дискретных длинах волн в отличие от непрерывного спектра излучения светодиода. Достаточное усиление поддерживает генерацию излучения в лазере только в узком диапазоне длин волн, где энергия фотона больше, чем энергия ширины запрещенной зоны.

Если излучение лазера происходит преимущественно на одной моде, то он является устройством, генерирующим сигналы на одной продольной моде. Ширина спектра одномодового лазера изменяется в пределах от 1,5 до 3,0 нм. Одномодовый режим генерации лазера очень важен, в частности для минимизации хроматической дисперсии в одномодовых волоконных световодах вблизи длины волны основной моды.

Длина волны излучения определяется выбором материала кристалла. Наиболее широко используется трехкомпонентное полупроводниковое соединение GaAlAs. В этой структуре с увеличением примеси Al длина волны уменьшается.

В отношении долговечности лазеров в последнее время был достигнут значительный прогресс. Лазерные диоды из

GaAlAs имеют ресурс работы до 10 – 100 тыс. ч. Долговечность лазерного диода снижается в основном из-за дефектов в кристалле и повреждений граней резонатора. В результате исследований, направленн
ых на уменьшение длины волны лазера, достигнута длина волны 0,78 мкм при достаточной долговечности лазера.

В отличие от газового лазера излучение лазерного диода является сильно расходящимся. При этом расходимость в вертикальной и горизонтальной плоскостях часто получается различной. Диаграмма пространственного распределения излучения в боковой (горизонтальной) плоскости составляет 10 – 20º, а в поперечной (вертикальной) плоскости 50 – 70º. При массовом производстве лазеров асимметричный луч стараются сделать симметричным.

Типичная ВАХ для лазерного диода представлена на рис. 8.14. Для работы лазера достаточно напряжение около 2 В, что по сравнению с газовым лазером, требующим напряжение порядка киловольт, является большим преимуществом.

При пропускании небольшого постоянного тока лазерный диод излучает некогерентный свет как обычный светодиод. Когда ток достигает определенного порогового значения (), начинается лазерная генерация. Для обеспечения стабильного излучения рабочий ток обычно выбирают несколько больше порогового (примерно в 1,3 раза). На рис. 8.15 показаны спектры продольных мод лазера для различных значений тока накачки. Видно, что в рабочем режиме в спектре присутствует практически единственная продольная мода.

Спектр излучения при токах ниже порогового представляет собой сравнительно широкую полосу, обусловленную межзон­ными или квазимежзонными спонтанными переходами в актив­ной области гетеролазера. При приближении к порогу в спектре излучения возникает модовая структура, которая при токе вблизи порогового проявляется очень отчетливо (рис. 8.15). Этот режим работы называется сверхлюминесценцией или суперлюминесценци­ей: в активной области создана инверсия населенности, но ее еще не хватает для начала генерации, т.е. еще не выполнено условие самовозбуждения (7.29).

При  спектр излучения сужается, увеличивается направленность и когерентность излучения. При изменении плотности тока накачки возможен перескок с од­ной моды на другую. Установлено, что при увеличении тока накачки максимум спектральной зависимости показателя усиления сдвигается в коротковолно­вую область. Одновременно при больших плотностях тока происходит нагрев кристалла, за счет чего спектр сдвигается в длинноволновую об­ласть. Часто второй эффект пре­обладает над первым, что видно из рис. 8.15.

Зависимость мощности излучения от тока возбуждения (ватт-амперные характеристика) у инжекционных лазерных диодов отличается от ватт-амперной характеристики светодиодов (рис. 8.16). Ниже порогового значения тока () мощность света на выходе лазерного диода мала, а само излучение некогерентно. Выше  мощность рас­тет прямо пропорционально току через диод. Мощ­ность излучения у лазерного диода зависит от темпе­ратуры существенно сильнее, чем у светодиода, по­скольку к температурной зависимости наклона харак­теристики добавляется еще и сильная температурная зависимость порогового тока .