3.5.3. Инжекционный лазер на гетеропереходе
Ограничения, описанные в предыдущем разделе, сдерживали широту использования полупроводниковых приборов до тех пор, пока не были предложены вначале лазеры на одинарных гетеропереходах, а вскоре после этого - лазеры на двойных гетеропереходах (ДГС-лазеры). Рассмотрим последний тип лазеров, поскольку именно они наиболее широко используются в наши дни.
Гетеропереход представляет собой контакт (переход) на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов (полупроводников), осуществленный в одном кристалле. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путем легирования появляется новая возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещенной зоны и показатель преломления.
Рис. 3.9. Сравнительные характеристики лазерных структур на гомо- и гетеропереходе.
Именно поэтому применение гетеропереходов привело как к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов, так и к существенному улучшению параметров ранее созданных устройств.
На рис. 3.9 приведен пример лазера на двойном гетеропереходе, где активная среда представляет собой тонкий слой (0,1-0,2 мкм) арсенида галлия GaAs, а р- и п- области выполнены из Ga1-хА1хAs. Центральная область p-GaAs является активной. Из широкой n- области в нее инжектируются электроны. За счет эффекта сверхинжекции электронов в активной области оказывается больше, чем в N- эмиттере (скачок концентрации на диаграмме рис. 3.8,в). Одновременно потенциальный барьер на гетерогранице р-р+ препятствует движению инжектированных электронов, запирая их в пределах узкозонной активной области. Таким образом в ДГС-лазере осуществляется электронное ограничение. Аналогичная ситуация наблюдается и для дырок. Кроме электронного ограничения в двойной гетероструктуре осуществляется эффективное оптическое ограничение.
При оптимизации пороговая плотность тока при комнатное температуре в такой диодной структуре может быть уменьшена практически на два порядка (т.е. до 103 А/см2) по сравнению с соответствующими устройствами на гомопереходах, что позволяет без труда осуществить непрерывную лазерную генерацию при комнатной температуре. Значительное уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов:
Показатель преломления активного слоя значительно больше, чем показатель преломления внешних слое р- и п-типа, что приводит к образованию оптической волноводной структуры. Это означает, что теперь лазерный пучок будет сосредоточен главным образом в активном слое, т.е. в области, в которой имеется усиление (локализация фотонов).
Ширина запрещенной зоны активной области (например, Еg1 = 1,5 эВ в GaAs) значительно меньше ширины запрещенной зоны внешних слоев (например, Еg2 = 1,8 эВ для А10,3Ga0,7As). Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (локализация носителе).
Поскольку Еg2 значительно больше, чем Еg1, краевые области лазерного пучка значительно меньше поглощаются во внешних слоях, и потери в данном случае обусловлены только свободными носителями (уменьшенное поглощение).
Такие структуры позволяют создавать инжекционные лазеры, способные работать не только в импульсном, но и в непрерывном режимах.