Инжекционные полупроводниковые лазеры

 

Рассмотренные светоизлучающие диоды являются источником некогерентного излучения, т.е. излучение представляет собой поток фотонов различной частоты, поляризации и разности фаз. Источником когерентного излучения служит лазер (оптический квантовый генератор – ОКГ). Частота, поляризация и разность фаз колебаний лазерного излучения являются практически неизменными. Для различных целей созданы определенные типы лазеров: твердотельные, жидкостные, газовые.

Инжекционные полупроводниковые лазеры (ИППЛ) представляют собой основной элемент излучательной когерентной оптоэлектроники. Принцип действия и конструктивные особенности таких лазеров и светодиодов во многом сходны. Основным принципиальным отличием лазеров является наличие оптического резонатора, в котором находится активная зона лазера. Резонатор, необходимый для генерации когерентного излучения, формируют путем шлифовки противоположных и перпендикулярных плоскости перехода граней кристалла. Две другие перпендикулярные плоскости перехода грани делаются шероховатыми, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным (рис. 7.16). Такая структура называется резонатором Фабри-Перо, она играет роль положительной обратной связи для активной среды.

Рассмотрим процесс усиления электромагнитного излучения. Если в активной среде создана инверсия населенностей, то возникший в ней фотон может вызвать переход электрона с верхнего уровня на нижний с испусканием второго фотона. Этот процесс называют вынужденным, или стимулированным, излучательным переходом. В случае p-n-перехода это акт излучательной рекомбинации (рис. 7.16, б).

Вероятность такого перехода максимальна, если частота первого фотона равна

. (7.107)

Второй фотон, естественно, будет иметь такую же частоту, фазу и поляризацию. Эти фотоны стимулируют генерацию еще двух фотонов. Таким образом, происходит усиление электромагнитной волны в активной среде, причем усиленный сигнал сохраняет характеристики сигнала, входящего в систему.

Как уже говорилось, условием для создания инверсии населенностей в p-n-переходе является выражение (7.103). Для усиления электромагнитной волны это условие является необходимым, но недостаточным. Достаточным условием будет превышение усиления, достигнутого за счет процессов излучательной рекомбинации над всеми возможными потерями. Интенсивность излучения

. (7.108)

где α – коофициент квантого усиления среды;

β – коэффициент потерь при поглощении и рассеянии;

l – длина пути;

I_вх (I_вых) – интенсивность входящего (выходящего) излучения.

В этом случае достаточное условие усиления (I_вых > I_вх) имеет вид α > β. Квантовые усилители используются для промежуточного усиления светового сигнала в длинных световодах и практически не искажают проходящий сигнал.

Для превращения усилителя в генератор необходимо, как обычно, ввести положительную обратную связь. В электронных усилителях это достигается тем, что часть сигнала с выхода усилителя подают на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) данную функцию выполняют оптический резонатор. Обычно это параллельные зеркала, одно из них служит для вывода излучения и является полупрозрачным. Существуют и более сложные оптические резонаторы, например, с регулируемой прозрачностью одного из зеркал. В ИППЛ эту функцию выполняют гладкие грани кристалла. Как и всякий другой резонатор, оптический резонатор играет роль селектора электромагнитных волн: в нем отбираются лишь те из них, которые соответствуют параметрам резонатора, только они усиливаются в активной среде.

б)

а)

 

Рис. 7.16. Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе: а – структура;

б – зонная диаграмма; I – когерентное излучение; АО – активная область; Э – электрод

Напомним, что в ИППЛ используется резонатор Фабри-Перо, зеркала которого также вносят потери. При отражении от зеркала интенсивность света уменьшается в R раз, где R – коэффициент отражения. Если учесть потери на зеркалах и зависимость (7.108) достаточное условие усиления будет иметь вид

, (7.109)

где R ₁, R ₂– коэффициенты отражения зеркал.

Из последнего выражения очевидно, что ИППЛ имеет пороговый ток I_пор, при достижении которого возникает генерация индуцированного, когерентного излучения. При малых токах (I < I_пор) излучение является спонтанным, т.е. некогерентным. Теоретически КПД ИППЛ может приблизиться к 100%, практически он намного меньше, поскольку мощность излучения P, пропорциональная величине прямого тока I_пр, ограничена пороговым током

. (7.110)

В гомолазерах пороговые токи велики и составляют 100-10⁴ А/см при различных температурах. Высокие плотности тока приводят к разогреву кристалла. В непрерывном режиме работы лазера удастся отвести 30-40 Вт при температуре 4К, 10 Вт при температуре 77К и менее 1 Вт при комнатной температуре. Поэтому непрерывный режим возможен только при условии охлаждения, а в обычных условиях используют импульсный режим работы.

Гомолазеры не получили широкого распространения вследствие низких эксплутационных параметров, малого срока службы, большого I_пор, низкого КПД. Основными причинами этого являются:

- большая вероятность безызлучательной рекомбинации в вырожденных полупроводниках;

- поглощение излучения вне активной области;

- пролетание инжектируемых носителей в пассивную область.

Указанные недостатки могут быть устранены в геторолазерах. Преимущества гетеропереходов указаны в п. 7.9. В таком ИППЛ средним активным слоем служит материал с меньшей шириной запрещенной зоны, а эмиттерами – материалы с большой шириной запрещенной зоны (рис. 7.17, а). При включении гетероперехода в прямом направлении создается инверсия населенностей за счет высокого уровня инжекции электронов и дырок в узкозонную область. В этом случае нет необходимости в высокой степени легирования активной области, резко снижаются потери излучения, а следовательно, и пороговая плотность тока. При комнатной температуре она составляет 900 А/см². Квантовая эффективность геторолазеров достигает 70%. На рис. 7.17, б приведена зонная диаграмма n-p-p-гетеролазера, где материалами областей являются тройные соединения n-Al_x1Ga_1-x1, p-Al_x2Ga_1-x2As, p-Al_x3Ga_1-x3As. Изменяя стехиометрические коэффициенты, т.е. x1, x2, x3, можно изменять ширину запрещенной зоны.

+

hν

EC

d 2

d 1

d 2

d 1

б)

а)

P

p

n

EV

 

Рис. 7.17. Полупроводниковый лазер на n-p-P-гетероструктуре: а – расположение переходов; б – зонная диаграмма; d ₁ – толщина n-p-перехода; d ₂ – толщина p-P-перехода

Спектр применения лазеров на двойных гетеропереходах интенсивно расширяются. Эти лазеры используются в компакт-дисковых системах, волоконно-оптической связи, устройствах оптоэлектроники.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1.1. Охарактеризуйте различные виды контактов.

1.2. В чем физический смысл работы выхода?

1.3. В чем причина нелинейности контакта металл-металл?

1.4. Определите порядок толщины двойного заряженного слоя контакта металл-металл.

1.5. Какие металлы можно использовать в комплектах микроэлектронных устройств?

2.1. Чем отличается омический контакт металл-полупроводник от выпрямляющего контакта?

2.2. Чем обусловлен равновесный ток из металла в полупроводник?

2.3. Определите высоту потенциального барьера Шоттки φ ₀ (N_д =10²² м^-3, d =0,7 мкм).

2.4. Приведите причины формирования барьера Шоттки.

2.5. Каков механизм формирования барьера Шоттки?

2.6. Опишите соотношение d_n / d_m.

2.7. Рассчитайте толщину объемного заряда в полупроводнике барьера Шоттки, если U_к =0,4 В; N_ə =1∙10²³ м^-3.

2.8. Решите задачу 2.7, если внешняя разность потенциалов составляет 2 В.

2.9. Как формируется и где используется антизапорный контакт?

3.1. Опишите методы получения p-n-переходов.

3.2. Что является причиной формирования потенциального барьера в p-n-переходе?

3.3. Определите высоту потенциального барьера в кремнии, если N_д =0,1∙10²¹ м^-3, N_а =20∙10²¹ м^-2, Т =300К. Считать примеси ионизированными.

3.4. Определить для предыдущей задачи ширину потенциального барьера.

3.5. Что означает искривление энергетических зон в области p-n-перехода?

4.1. Назовите условия и причины туннельного и лавинного пробоев.

4.2. Определите, во сколько раз увеличится ток насыщения германиевого диода, если температура возрастает от 20 до 80°С.

4.3. Запишите условия, когда выполняется уравнение ВАХ диода в каноническом виде.

4.4. Что такое напряжение отсечки?

4.5. Как влияет температура на свойства p-n-перехода?

4.6. Какую емкость перехода называют барьерной?

4.7. Какие функции выполняют p-n-переходы в полупроводниковых ИС?

5.1. Дайте определение гетероперехода.

5.2. Перечислите и охарактеризуйте виды гетеропереходов.

5.3. Опишите эффект односторонней инжекции.

5.4. Опишите эффект суперинжекции.

5.5. Опишите эффект широкозонного окна.

6.1. В чем состоит эффект Зеебека?

6.2. Каков смысл коэффициента Зеебека?

6.3. Как формируется объемная составляющая термоЭДС?

6.4. Как формируется контактная составляющая термоЭДС?

6.5. Назовите области использования эффекта Зеебека.

6.6. Какова роль эффекта Зеебека в микроэлектронике?

6.6. Почему эффект Зеебека в полупроводниках больше, чем в металлах?

7.1. Дайте определение эффекта Пельтье.

7.2. Каков физический смысл коэффициента Пельтье?

7.3. Опишите механизм эффекта Пельтье.

7.4. Какова связь эффектов Пельтье и Зеебека?

7.5. Каково отличие эффекта Пельтье в полупроводниках и металлах?

7.6. Где используется эффект Пельтье?

8.1. Каковы особенности фотоэффекта в p-n-переходе?

8.2. Дайте определение вентильного фотоэффекта.

8.3. Покажите зонную диаграмму перехода в случае вентильного фотоэффекта.

8.4. Какой режим называют фотодиодным?

8.5. Приведите ВАХ фотодиода.

8.6. Определите понятие холостого хода, короткого замыкания.

8.7. Что называют фоточувствительностью?

8.8. Где используются фотодиоды?

9.1. Какова особенность излучательной рекомбинации в p-n-переходе?

9.2. Что характеризуют квазиуровни Ферми?

9.3. Какое состояние называют инверсным?

9.4. Определите длину волны излучения германиевого светодиода.

9.5. Как зависит от температуры спектр светодиода?

9.6. Пусть температура кремниевого светодиода выросла от 20 до 80°С. Как изменилась его амплитудно-частотная характеристика?

9.7. Опишите недостатки гомосветодиодов.

9.8. Каковы критерии выбора материалов для светодиода?

9.9. Где применяются светодиоды?

10.1. Дайте определение когерентного излучения.

10.2. Дайте определение самопроизвольного и вынужденного излучательного перехода.

10.3. Приведите достаточное условие генерации в ИППЛ.

10.4. Поясните роль резонатора.

10.5. Как работает гомолазер?

10.6. Доля внутренних потерь ИППЛ – 0,2, его длина 1 мм, R =0,8. Оцените оптическую мощность лазера при прямом токе 50 мА и напряжении 2 В.

10.7. Перечислите недостатки гомолазеров.

10.8. Опишите конструкцию и механизм работы гетеролазера с одним переходом.

10.9. Опишите конструкцию и механизм работы гетеролазера с двумя переходами.

10.10. Где используются ИППЛ?

Глава 8
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Электронные приборы, особенно устройства микроэлектроники, весьма чувствительны к состоянию поверхности кристалла. Поверхность кристалла является двумерным дефектом и способна искажать его приповерхностные свойства. Кроме того, взаимодействие поверхности полупроводника с кислородом, парами воды и другими компонентами окружающей среды приводят к образованию оксидов, гидратов, сульфатов и других соединений как в виде отдельных молекул, так и в виде тонких пленок. Такие поверхности содержат рекомбинационные центры, способные оказывать сильное влияние на параметры приборов. Успешная и надежная работа электронных приборов в значительной степени зависит от стабилизации поверхности и качества ее защиты от окружающей среды.

В данной главе кратко рассматриваются свойства поверхности полупроводников и процессы, протекающие на этой поверхности.