Наноэлектронные лазеры

Как хорошо известно, для работы любого лазера необходимо обеспечить выполнение двух основных условий. Во-первых, нужно создать состояние инверсии заселенности энергетических уровней, т.е. необходимо обеспечить, чтобы на более высоком уровне находилось больше электронов, чем на низком. В состоянии теплового равновесия ситуация с распределением электронов по уровням прямо противоположная. Во-вторых, каждому лазеру необходим оптический резонатор, или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме и обеспечивает механизм вынужденной рекомбинации электронов при их переходах из зоны проводимости в валентную зону. При вынужденной рекомбинации генерируется фотон, имеющий ту же частоту, направление распространения и фазу, что и фотон, индуцирующий рекомбинацию. При спонтанной рекомбинации, наоборот, генерируются фотоны, имеющие произвольные направления движения и фазы.

В настоящее время самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на квантовой яме в виде двойной гетероструктуры, для которой в соответствие с рис. 4.31. активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника, «зажатого» между двумя широкозонными.

При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма, и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. К широкозонным областям присоединяются металлические контакты, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область.

hv

Eg

EП1

EВ2

GaAs

InGaAs

GaAs

GaAs

GaAs

InGaAs

Пороговый ток

Полупрозрачные зеркала

а) б)

Рис. 4.31. Лазер на квантовой яме:

а) двойная гетероструктура; б) энергетическая диаграмма

Работа лазера происходит следующим образом. Из одного контакта (широкозонного полупроводника) электроны поступают в рабочую зону, создавая тем самым в ней инверсную заселенность. Далее, переходя из зоны проводимости в валентную зону, они излучают кванты электромагнитного излучения, частота которого определяется условием

ћω = Е_g+ E_C1 + Е_C2. (4.14)

Для того чтобы сконцентрировать генерируемое излучение в центральной активной области прибора показатель преломления внутреннего слоя подбирают так, чтобы он был больше, чем для внешнего. Такое соотношение можно получить, например, в системе материалов GaAs/InGaAs. В этом случае внутренняя область становится подобной волоконно-оптическому волноводу, на границах которого нанесены зеркала, формирующие резонатор.

Лазеры на квантовых ямах обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Прежде всего, эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра за счет изменения толщины рабочей области. Так, при уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов E_C1 и Е_C2 увеличиваются, и тогда согласно (4.14), увеличивается и частота излучения, которое генерируется лазерами. Подбирая ширину квантовой ямы можно добиться того, что затухание волны в оптической линии связи станет минимальным.

Другое преимущество заключается в том, что в двумерном электронном газе квантовой ямы легче создать инверсию заселенности, что связано с иным распределением плотностей состояний у краев зон. Если в массивном полупроводнике в непосредственной близости от края зоны эта величина мала, то в квантово-размерной системе она не убывает вблизи края, оставаясь постоянной. Поэтому лазеры на квантовых ямах очень экономны, они питаются меньшим током и дают больше света на единицу потребляемой мощности. До 60% электрической мощности ими преобразуется в свет.

В квантовых точках энергетический спектр меняется еще более радикально, чем в квантовых ямах. Плотность состояний для них имеет крутой d-образный вид. Тем самым в квантовых точках отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и, как следствие, уменьшает пороговый ток – важнейший параметр инжекционных лазеров, который равен минимальному току, пропускаемому через прибор обеспечивающему получение лазерного излучения (накачку). Для любых систем лазеров величину порогового тока желательно делать как можно меньшей. Предельная величина этого тока при комнатной температуре может быть снижена до 15 А/см², в то время как в лазерах на квантовых ямах эта величина имеет порядок около 30 А/см².