3.5.4. Лазеры на квантовых ямах

В современной электронике, особенно в опто- и наноэлектронике особая роль принадлежит так называемым системам низкой размерности, где движение ограничено по одной, двум или трем координатам. Эти объекты, соответственно, имеют размерность 2, 1 и 0 и обозначаются 2D, 1D и 0D.

Под размерными эффектами понимают зави­симость физических свойств объекта или вещества от его геомет­рических размеров. Сами эффекты определяются характерной физической длиной, с которой сравниваются размеры образца. Если роль этой характерной физической длины выполняют клас­сические величины, например, длина свободного пробега или диффузионная длина, то такие размерные эффекты называются классическими. Если роль характерной физической длины выполняют кван­товые величины, то такие эффекты называются квантоворазмерными. Для электронов в твердом теле эту роль, как правило, выполняет де-Бройлевская длина волны электрона , где- квазиимпульс электрона, а - его волно­вой вектор. Если характерный геометрический размер соизмерим или меньшеλ, то проявляются эффекты размерного квантования: электронные спектры квантуются и положения каждого из уров­ней квантования зависят не только от свойств материала, но и от его геометрических размеров. Это означает, что положением уровней энергии и волновыми функциями электрона можно управлять, меняя геометрические размеры объекта, в котором движется электрон. Структуры, в которых движение электрона ограничено по одной, двум и трем координатам, имеют раз­мерности 2, 1 и 0 (2D, 1D и 0D) и называются квантовыми ямами (КЯ) или квантовыми колодцами, квантовыми нитями (КН) или квантовыми проволоками и квантовыми точками (КТ) соответственно.

Уменьшение толщины слоя материала B (см. рис. 3.10) приводит к появлению уровней размерного квантования (E_c и E_v - края зоны проводимости и валентной зоны, соответственно, E_e и E_h - 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.

Рис. 3.10. Сравнение зонной структуры ДГС-лазера и лазера

на квантовых ямах.

В квантовой механике доказывается, что частота излучения ω определяется условием , гдеE_h и E_e - энергии первых энергетических уровней соответственно в валентной зоне и зоне проводимости, E_g - запрещенная зона. Вследствие пространственного квантования спектра носителей заряда частота генерации лазера определяется не шириной запрещенной зоны, а расстоянием между энергетическими уровнями электронов и дырок в квантовых ямах.

В полупроводниковых квантовых ямах очень тонкий слой одного соединения (L_z ~ 5-20 нм) с меньшей шириной за­прещенной зоны Е_g1 помещен между двумя слоями другого соединения с боль­шей шириной запрещенной зоны Е_g2 (см. рис. 3.11.а). Поскольку Е_g1 < Е_g2, то в полупровод­нике будут формироваться потенциальные ямы: для электронов - вблизи потолка валентной зоны, v.b, а для дырок - вблизи дна зоны проводимости, с.b (рис. 3.11,6). Поскольку движение электронов и дырок в таких потенци­альных ямах является ограниченным, а размеры полупроводниковой струк­туры в этом случае сравнимы с длиной волны де Бройля электронов и дырок, то в энергиях их состояний весьма отчетливо проявляется квантовый раз­мерный эффект.

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов меняется при изменении размеров квантовой ямы, т.е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществить перестройку частоты генерации, сдвигая ее в коротковолновую сторону по сравнению с лазерами с широкой (классической) активной областью.

Рис. 3.11 а) Схематическое представление полупроводниковой квантовой ямы. б) Соответствующая зависимость энергий дна зоны проводимости (c.b.) и потолка валентной зоны (v.b.) от координаты z вдоль полупроводниковой гетероструктуры, изображенной на рис. (а)

Поскольку число состояний, населенность которых необходимо инвертировать, в квантовой яме значительно меньше, чем в двойной гетероструктуре, пороговая плотность тока в лазере на структуре с квантовой ямой существенно меньше, чем в лазере на двойной гетероструктуре. Благодаря иной энергетической зависимости плотности состояний меняется не только величина порогового тока, но и его температурная зависимость. Она становится более слабой, в силу чего непрерывную генерацию удается получить не только при комнатной, но и при более высокой температуре

Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии - до 60% электрической мощности преобразуется в свет. В последнее время во многих лабораториях мира ведутся работы по созданию лазеров на квантовых точках.