Полупроводниковые лазеры и СИД

Существуют следующие разновидности светоизлучателей:

1) полупроводниковые лазеры;

2) СИД, которые в зависимости от назначения подразделяются на СИД, используемые в устройствах оптической связи, индикаторные СИД и СИД большой излучаемой мощности;

3) электролюминесцентные ячейки.

Полупроводниковые лазеры и СИД представляют собой оптоэлектронные приборы, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в оптическую (световую). В основе этого процесса лежит излучение света, обусловленное электронным переходом из зоны проводимости полупроводника в валентную зону. Для возбуждения электронов в зону проводимости, или, как говорят, для накачки, используется инжекция носителей. С этой целью обычно формируют pn-переход, для чего в n-область вводят больше донорной примеси, а в р-область больше акцепторной. С помощью инжекции обеспечивается создание неравновесных носителей заряда, что обеспечивает генерацию оптического излучения в рn-переходе полупроводника. Получение оптической энергии на выходе оптоэлектронных устройств оказывается очень простым: для этого достаточно подать напряжение на вход прибора и обеспечить протекание по нему тока. Путем изменения тока инжекции можно менять оптическую энергию на выходе прибора, т. е. простыми средствами осуществлять оптическую модуляцию. Этот способ называется прямой (непосредственной) модуляцией. Простота осуществления оптической модуляции является одной из причин использования полупроводниковых лазеров и СИД в системах оптической связи.

На рис. 1 приведены типичные примеры зависимости между током и мощностью оптического излучения на выходе оптоэлектронного прибора.

Рис. 2.1. Зависимость мощности оптического излучения L на выходе полупроводникового лазера (а) и СИД (б) от тока.

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В п/п лазере, в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В п/п лазере возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность — малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6—10^-2см³). В п/п лазере удаётся получить показатель оптического усиления до 10⁴см^-1, хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения. Другими практически важными особенностями п/п лазеров являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ГГц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниямикристаллическойрешётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света. Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла — состояние с инверсиейнаселённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l » hc/DE, где h — Планкапостоянная, с — скорость света.

Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна E_c заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка E_u. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше ¹/₂ от состояний с вероятностью заполнения меньше ¹/₂. Если и — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой:

— > hn.

Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

В п/п лазере применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через рn-переход, гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили п/п лазеры первых двух типов.

Инжекционные лазеры. Лазер на рn-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные рn-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см², а при пониженной температуре ~ 10² A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Рис. 2 Рис. 3

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа рn) служит для инжекции электронов, а второй (типа рр) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в п/п лазере на рn-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для п/п лазера на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у п/п лазера. на рn-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

Рис. 4

п/п лазеры инжекционного типа работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 Вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 Вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (Pb_xSn_1-xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

п/п лазер с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 10³—10⁶ эВв кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность п/п лазера достигает 10⁶ Вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 5). П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу. Техническое достоинство п/п лазера с электронной накачкой — возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~¹/₃); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE

Рис. 5

Применение п/п лазеров: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение.

Лекция 15