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.