Лазеры на гетероструктурах

В предыдущих параграфах отмечалось, что обычные лазерные фотодиоды имеют большое значение порогового тока. Это объясняется несколькими причинами, и прежде всего тем, что генерируемая в окрестности р-п-перехода световая волна распространяется не только в активной области, но и за ее пределами, где не выполняются условия инверсности населенности. Еще одной причиной является то, что часть инжектируемых электронов, обладая большой длиной свободного пробега, проскакивает активную часть р-п-перехода и не участвует в образовании электронно-дырочных пар.

Для того чтобы устранить отмеченные выше недостатки и повысить эффективность работы лазерных диодов, необходимо ограничить зону распространения генерируемого света и инжектируемых электронов и обеспечить условия, чтобы эти процессы протекали только в активной области. Желаемые свойства оптического ограничения могут быть получены на гетеропереходных структурах. Самым простым из них является лазер с одинарным гетеропереходом (ОГ), представленный на рис. 58, а. Излучающий р-п-переход образуется между GаАs и Ga Al As посредством специальной технологической обработки. Если концентрации примесей примерно одинаковы на обеих сторонах р-п-перехода, то инжекционный ток будет существовать за счет электронов, инжектируемых в слой р-типа, поскольку эффективная масса электронов почти на порядок меньше эффективной массы дырок. Поэтому слой с инверсной населенностью будет находиться в р-GaAs, толщина которого соизмерима с длиной диффузии инжектируемых электронов. Таким образом, область инверсии населенности ограничена толщиной, где в основном и происходит рекомбинация электронов с последующим излучением.

В ОГ-лазере оптическое ограничение происходит с одной стороны, отсюда желаемый результат, т. е. повышение эффективности работы гетеролазера, реализуется частично, а

поэтому у ОГ-лазера значение порогового тока выше, чем у лазера с двойной гетероструктурой (рис. 58, б). Поскольку удалось уменьшить значение порогового тока у ОГ-лазера, это дало возможность использовать его работу при комнатной температуре, но только в импульсном режиме накачки. В непрерывном режиме накачки при комнатной температуре работают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГ).

Профиль показателя преломления ДГ-лазера в направлении, перпендикулярном к р-п-переходу, показан на рис. 58, б. Толщина активного слоя составляет менее 1 мкм. При этом по всему слою создается инверсная населенность. Если в ОГ-лазерах толщина активного слоя соизмерима с длиной диффузии инжектируемого электрона, то в ДГ-лазерах толщина меньше этой длины. Кроме того, в ДГ-лазерах обеспечивается оптическое ограничение с двух сторон активной зоны. Эти обстоятельства приводят к тому, что ДГ-лазеры являются высокоэффективными приборами и характеризуются минимальным пороговым током, что позволяет осуществлять непрерывную накачку электрическим током при комнатной температуре.

В предыдущем параграфе отмечалось, что ограничение оптического слоя в области р-п-перехода благоприятно влияет на пороговую плотность тока / „, мощность излучения Р_изл и эффективность лазерного диода g. Эти параметры можно рассчитать, используя формулы (3.15), (3.17) и (3.18). Необходимо только для каждого конкретного случая знать отношение d/D. Нахождение этого отношения при условии двухстороннего ограничения оптического поля представляет собой сложную задачу, решение которой не может быть получено однозначно, поскольку необходимо решать волновые уравнения с соответствующими граничными условиями. Существует приближенное полуэмпирическое выражение для

определения отношения d/D, которое справедливо для трехслойной симметричной структуры из Ga Al As s - GaAs - Ga Al As малой толщины d. Показано, что d 0,07 /x , где х- часть атомов Al в ограничивающих слоях. Отношение d/D (его еще называют ограничивающим фактором) дается выражением

где E - максимальная амплитуда поля; - величина, определяемая из формулы

где n и n - показатели преломления в активном и ограничивающих слоях соответственно; k = 2 - волновое число. Значения фактора ограничения для трехслойной симметричной структуры Ga Al As - GaAs приведены на рис. 59 для различных значений d и х. Из рисунка видно, что полного ограничения можно достичь в активной области толщиной 0,4 мкм при составе атомов Al, равном 0,6.

Для улучшения выходных характеристик гетероструктурного лазера в процессе получения гетероструктуры создают условия, обеспечивающие ограничение носителей заряда в активной области. Для структуры, изображенной на рис. 58, б, диаграмма энергетических зон приведена на рис. 60. Из-за того, что ширина запрещенной зоны у полупроводника больше в области с увеличенной концентрацией атомов A l, возникают смещения в зоне проводимости на р-р -переходе () и в валентной зоне на п-р и n -п - переходах (). Когда к такой структуре прикладывается прямое напряжение смещения, электроны инжектируются из п- в р-область. Скачок зоны проводимости на р-р -границе раздела на , обеспечивает энергетический барьер для инжектируемых электронов, производя тем самым ограничение их в р-области и увеличивая вероятность их рекомбинации с дырками. Скачок валентной зоны на п-р-переходе , повышает уже существующий потенциальный барьер, препятствующий инжекции дырок в п-область, улучшая тем самым инжекционную эффективность. Таким образом, у двойной гетероструктуры имеет место тенденция ограничения как основных, так и инжектируемых неосновных носителей в активной зоне. Это обеспечивает хорошие условия для получения более эффективной инверсной населенности. Значит, ДГ-лазеры обеспечивают более высокие выходные характеристики по сравнению с ОГ-лазерами, и тем более по сравнению с гомопереходными лазерами. Сравнение технических характеристик этих лазеров показывает, что если у гомоструктурного лазера пороговая плотность тока равна 10 А/см при квантовой эффективности 10%, то у ОГ-лазера пороговая плотность тока равна 10 А/см , а квантовая эффективность доходит до 40%. Эти лазеры, как отмечалось выше, работают только в импульсном режиме. У ДГ-лазеров пороговая плотность тока равна 700-800 А/см , а квантовая эффективность составляет 55%. Эти лазеры работают в непрерывном режиме.

Однако ДГ-лазеры отличаются тем недостатком, что у них большая угловая расходимость луча (20-40 ) в плоскости, перпендикулярной к плоскости перехода, из-за дифракции света в тонком активном слое, в то время как у гомоструктурных и ОГ-лазеров угловая расходимость составляет 15-20 . У всех рассмотренных выше типов лазеров угловая расходимость луча в плоскости перехода составляет не более 10 .