Полупроводниковые лазеры. Полупроводниковые лазеры
 Скачать 1.98 Mb.
|
Полупроводниковые лазеры1. История создания полупроводникового лазера. 2. Лазерный эффект в полупроводниках. 3. Зонная диаграмма и конструкция полупроводникового лазера. 4. Особенности инжекционных лазеров. 5. Лазер с распределенной обратной связью. 6. Лазер с сколотосвязанными резонаторами. 7. Гетероструктуры с квантовыми ямами и сверхрешетками. 8. Применение лазерных диодов. 1954 г. микроволновой квантовый генератор на парах аммиака, мазер (MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Таунс и Гордон. 1954 г. Прохоров и Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы этого прибора. 1964 г. Таунс, Басов и Прохоров - Нобелевская премия). Начало 1960 –х г.г. - лазеры на гомопереходах арсенида галлия (GaAs) (пороговые токи порядка 50 000 А/см2) 1967 г. была найдена классическая гетеропара GaAs–AlGaAs, с отставанием всего на месяц, гетероструктура AlxGa1–xAs–GaAs была независимо получена в США сотрудниками фирмы IBM. Первый в мире гетеролазер заработал в 1968 году в Физтехе. Это было низкопороговое, работающее при комнатной температуре устройство. Доклад Ж.И.Алфёрова по этой теме на Международной конференции по люминесценции в Ньюарке (США) в августе 1969 г. История создания полупроводникового лазера Пороговые плотности тока уменьшились (по сравнению с гомогенной стуктурой) на два порядка, т. е. до 500-1000 А/см2. В результате удалось получить компактные лазеры, работающие в непрерывном режиме с высокой яркостью и выходной мощностью, которая могла быть непосредственно, с того же полупроводникового элемента (!), промодулирована с частотой до сотен и тысяч мегагерц. Далее в процесс включились технологи, инженеры и коммерсанты. В 1975 году появился первый коммерческий полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре, через год построена первая оптическая линия в Атланте, а срок службы лазеров увеличен до 100000 часов (10 лет). Уже в 1977 году срок службы лазеров был увеличен до 1 млн. часов (100 лет). Рис. 1. Первый гетероинжекционный дазер В устройстве и принципе действия полупроводникового лазера проявляются следующие основные моменты, характерные для любого лазера: 1) Необходима активная среда, способная обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения; 2) Использование механизма возбуждения активной среды (накачки), создающего инверсию населенностей энергетических уровней полупроводника; 3) Создание положительной обратной связи для превращения системы с активной средой в генератор; 4) Обеспечение электрического, электронного и оптического ограничений соответствующих зон возбуждения; 5) Превышение некоторого порога возбуждения для восполнения потерь, препятствующих возникновению лазерной генерации (поглощение в среде, бесполезный разогрев кристалла, спонтанные переходы и др.). ЛАЗЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Рис.2 Три основных типа переходов между двумя энергетическими уровнями Е1 и Е2 (hν12=E1-E2 ) Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10-9-10-3 с. Столкновение фотона, обладающего энергией hν12, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν12 и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение). Условия усиления электромагнитного излучения в полупроводнике. Для создания инверсной населенности в полупроводниках используются следующие методы: 1.Инжекция (впрыскивание) извне электронов и дырок в полупроводник. Этот метод позволяет получить инверсию населенностей в тонком слое, соответствующем p-n переходу; 2. Бомбардировка полупроводника пучком электронов большой энергии. Электроны пучка, двигаясь сквозь кристаллическую решетку, передают часть своей кинетической энергии валентным электронам, которые переходят в зону проводимости; 3. Оптическое возбуждение; 4. Прямое электрическое возбуждение (пробой полупроводниковой структуры). Наибольшее применение находят первый и второй методы. (1) (2) fc и fv характеризуют вероятности нахождения электрона на энергетическом уровне E соответственно в зоне проводимости и в валентной зоне. fc (1- fv) -вероятность одновременного наличия электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне fv (1- fc) - электрон в валентной зоне, а дырка в зоне проводимости BИЗЛ - вероятность перехода между зонами проводимости и валентной зоной в единицу времени, для испускания фотона и BП - для поглощения фотона A - коэффициент, пропорциональный произведению плотности занятых и свободных состояний в валентной зоне и зоне проводимости; Q - энергия испускаемого либо поглощаемого излучения. Условием усиления излучения (т.е. лазерного эффекта) является превышение скорости излучения над скоростью поглощения: VИЗЛ > VПОГЛ, т.е. (3) . Здесь считается, что BИЗЛ = BП. Подставляя (1) в (5), получим . Отсюда (4) (5) (6) (7) Соотношение (7) является основным условием инверсной населенности при прямых межзонных переходах и показывает, что в этом случае электронно-дырочный газ должен быть вырожденным. Зонная диаграмма и конструкция полупроводникового лазера
Так как инверсная населенность обеспечивается лишь в сравнительно узкой области p-n перехода, а в n и p полупроводниках инверсия отсутствует, то при прохождении электромагнитной волны через p-n переход она усиливется, а в n и p-областях поглощается. Минимальная плотность тока jПОР, при которой усиление в активной части среды компенсирует потери, называется пороговой. (8) Условие возбуждения ОКГ: Рис. 4. Базовая структура лазера с p-n переходом Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо. ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Рис. 5. Энергетические диаграммы активных структур инжекционных лазеров и распределения инжектированных носителей заряда (заштрихованные области): а) односторонняя гетероструктура (ОГС), б)двойная гетероструктура (ДГС). В ОГС электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике. В ДГС сверхтонкая активная область "зажата" между двумя гетерограницами, именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Рис. . Частотный спектр генерации лазера. g(ν ) – зависимость коэффициента усиления активной среды от частоты. Собственные частоты ν N продольных мод резонатора Фабри-Перо, образованного двумя плоскимизеркалами, расположенными на расстоянии L, равны Применение в полупроводниковых лазерах волноводных решеток Брэгга, непосредственно связанных с активной средой, позволило улучшить спектральные характеристики излучателей и, в частности, обеспечить динамически одночастотный (высокоскоростной) режим работы лазера. Рис. . Схема простого брэгговского волновода с синусоидальным гофром. Волноводный слой из полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg0 находится между слоями n- и p - полупроводников с ширинами запрещенных зон Egn , Egp. Λ – период гофра, - a - удвоенная амплитуда гофра. Рис 6. Зависимость Jпор от рабочей температуры для трех лазерных структур. Возрастание порогового тока при повышении температуры (рис.6) обусловлено тем, что в полупроводниках при высоких температурах для создания вырождения неравновесных электронов и дырок (и, следовательно, инверсии населенностей) требуются большие концентрации неравновесных электронов и дырок. Так, например, увеличение температуры в 10 раз приводит к необходимости повышения концентрации неравновесных электронов и дырок в 30 раз. Рис. 7. Сравнение некоторых характеристик лазера с гомоструктурой и с двойной гетероструктурой.
в) ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ Инжекционные лазеры обладают рядом достоинств, определяющих их важную роль в оптоэлектронике. 1. Микроминиатюрность: длина резонатора 10 мкм, площадь поперечного сечения 1 мкм2 (объем активной области может достигать 10 -12 см3. 2. Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение. Это обусловлено тем, что только при инжекционной накачке вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов. 3. Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне). 4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором или синтезом полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима. 5.Использование твердотельной микроэлектронной групповой техно- логии, которая обеспечивает высокую воспроизводимость парамет- ров в массовом производстве, низкую стоимость и долговечность. 6. Совместимость с основным элементом микроэлектроники — транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это дает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей. Инжекционные лазеры обладают рядом принципиальных недостатков: 1. Невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) — значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость излучения, эллиптический астигматизм. 2. Относительно малая генерируемая мощность. 3. Временная деградация, резкое уменьшение мощности при повышении температуры и воздействии радиации. Причинами деградации являются: увеличение концентрации центров безызлучательной рекомбинации при протекании тока накачки; разрушение зеркал резонатора под воздействием оптической мощности высокой плотности; возникновение механических напряжений, трещин, сколов, локальных проплавлений, пережогов контактов из-за технологических несовершенств; высокая плотность тока; значительный разогрев малых областей. Деградация приводит к постепенному уменьшению генерируемой мощности и к отказам лазеров. ФТИ им. А.Ф.Иоффе Российской Академии Наук Лаборатория Полупроводниковой Люминесценции и Инжекционных Излучателей Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричной гетероструктуры со сверхшироким волноводом (=0.8-1.8 мкм) =100 мкм =3 мм КПД = 74 % =1.06 мкм непрерывный режим генерации Р=16 Вт Лазер с распределенной обратной связью Лазер с сколотосвязанными резонаторами Гетероструктуры с квантовыми ямами и сверхрешетками Квантовые ямы, квантовые точки Будем увеличивать ширину ямы ("раздвигать стенки"), число уровней энергии в яме будет расти (рис. 9b). При этом уровни будут располагаться все ближе и ближе друг к другу. В пределе, когда яма станет бесконечно широкой, энергетический спектр станет непрерывным. Именно из-за того, что в атомах электроны находятся в кулоновском поле ионов (т.е. для них имеет место потенциальная яма), атомные спектры представляют собой набор линий. Рис.9. a - одномерная прямоугольная потенциальная яма, U(x) - потенциальная энергия; b - прямоугольная потенциальная яма отличается от случая a только большей шириной s. Гетероструктуры с тонкими (несколько нанометров) слоями называются "квантовыми ямами". Рис. 10. Уменьшение толщины слоя материала (B) приводит к появлению уровней размерного квантования (Ec и Ev - края зоны проводимости и валентной зоны, соответствено, Ee и Eh - уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона (E1 и E2 на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому E2 > E1. Наблюдается характерная ступенчатая структура в спектрах поглощения и систематический сдвиг характеристических энергий при уменьшении толщины квантовой ямы (КЯ). Уменьшение размеров и размерности Лазерный диод с квантовыми ямами Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение. 1. Метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) 2. Метод газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений (МОС ГФЭ) Рис. 11. а. Одномерная сверхрешетка, , LB ≈ 30 − 40нм, Lz ≈ 20нм . б. Зависимость плотности состояний ρ (E) от энергии электронов и дырок сверхрешетки. Физические явления в сверхрешетках: туннелирование носителей под действием электрического поля, когда основное состояние одной ямы совпадает с возбужденным состоянием следующей ямы, и стимулированное излучение, возникающее при туннелировании оптически возбужденных носителей из основного состояния одной ямы в возбужденное состояние соседней, расположенное ниже по энергии за счет действия приложенного электрического поля. Конструкция F. Capasso насчитывает до 100 периодов активного элемента ( = 4 -70 мкм) Рис. 12. Эволюция порогового тока полупроводниковых лазеров. Стрелками показаны важные этапы, слева направо: влияние двойных гетероструктур, влияние квантовых ям, влияние гетероструктур, содержащих квантовую яму "в окружении" короткопериодных сверхрешеток (рекордный для своего времени результат 40 А/см2 был получен в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе). Данный график отражает ситуацию на момент середины 1990-х годов, в настоящее время лазеры на квантовых точках имеют пороговые плотности тока порядка 15 А/см2. Применение лазерных диодов Лазерные диоды — важные электронные компоненты. Они находят широкое применение как управляемые источники света в оптоволоконных линиях связи. Также они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах. Другое распространённое применение — считывание штрих-кодов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные — в лазерных указках. Инфракрасные и красные лазеры — в проигрывателях CD- и DVD-дисков. Синие лазеры — в выходящих в настоящее время на рынок устройствах HD DVD и Blu-Ray . Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии. До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры. |