Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
W0
$<мо‘
2,5‘Ю'
п.
\ —- Л1- ______
}
2,5 5,0 7,5
На
яйт
М
0,2
/1 / / 1 /w погл / "Я1 / /
/ —г-/ ! У / iS? Л™ %
/ / / / /у S / у * w поц
/ / / / / /11111» || ' / 4. ш яим Щ$ЯЯ- И% ЯНПГ
25
50
75 и/и"
Рис. 97. Зависимость населенностей уровней (а), мощностей поглощения, люминесценции и генерации (б) от плотности радиации накачки. Пунктирные кривые относятся к режиму генерации, сплошные — к отсутствию генерации [435, 573]
315
\
Ойнако анализ формул и графиков показывает, что возникновение генерации и ее быстрый рост после преодоления порога в стационарном режиме связаны в основном не с уменьшением люминисценции и других потерь в канале 2-vl, а с резким скачкообразным возрастанием количества поглощенной энергии. Часть этой добавочно поглощенной энергии неизбежно расходуется на рост люминесценции и тепловых потерь в каналах 3->1 и 3->-2. Остальная часть идет на увеличение стимулированного испускания.
Приведенные рассуждения справедливы для стационарного режима возбуждения. В нестационарном режиме возможны такие ситуации, когда значительная часть энергии генерации возникает за счет подавления люминесценции.
§ 20. ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОГО ТОКА
ОТ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВА И ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАТОРА
Активный слой иижекционных гомо- и гетеролазеров. Еще
до появления первого лазера на рубине была обоснована возможность получения стимулированного испускания в полупроводниках [569, 570, 579—581]. На опыте вначале было зафиксировано сужение линии излучения полупроводниковых диодов на основе арсенида галлия, что свидетельствовало о получении инверсной населенности [582], и вскоре появились сообщения о получении, генерации [583—586].
Создание квантовых генераторов на полупроводниках не только расширило круг веществ, пригодных для генерации света, но и открыло новые возможности получения активной среды, управления частотой и интенсивностью лазерного излучения. Большим достижением полупроводниковой квантовой электроники явилось создание гетеролазеров, работающих в непрерывном режиме при комнатной и более высоких температурах [587—590].
Активная среда в инжекционных лазерах получается при инжекции электронов и дырок через р—«-переход или через гетеропереход. В узком смысле слова р—«-переходом называется условная граница раздела двух областей кристалла, одна из которых имеет дырочный тип проводимости, а вторая— электронный. Гетеропереход—это граница раздела между двумя различными полупроводниками, образующими единый кристалл. В зависимости от типа проводимости полупроводников могут быть р—«-гетеропереходы, р—р- или «—«-гетеропереходы.
Поскольку в лазерах на р—«-переходах используется один полупроводник, то они называются гомолазерами в отличие
316
от гетеролазеров, для получения которых нужно не менее двух различных полупроводников.
Лазерные р—«-переходы получают двумя способами: либо путем диффузии примеси в заранее выращенный кристалл (диффузионные р—«-переходы), либо путем наращивания на поверхность полупроводника с заданным типом проводимости слоя того же полупроводника с другим типом проводимости (эпитаксиальные р—/г-переходы) [591, 592]. При получении гетеропереходов полупроводники легируются в процессе роста [590, 593].
Коэффициент отражения на границе полупроводниковый кристалл—воздух достаточно высок (~0,35), поэтому для получения оптического резонатора в инжекцнонном лазере не требуется специальных зеркал. Достаточно сделать два торца диода параллельными друг другу и перпендикулярными к р—«-переходу. В кубических кристаллах резонатор обычно получают путем скалывания пластинки с имеющимся в ней р—«-переходом по кристаллографическим плоскостям. Чтобы плоскость р—«-перехода была перпендикулярна зеркалам резонатора, перед проведением диффузии или наращиванием эпитаксиального слоя пластинка ориентируется (§ 1), шлифуется и полируется так, что поверхность диффузии становится перпендикулярной к поверхностям скола.
Лазерный диод обычно имеет форму прямоугольного параллелепипеда, длина граней которого составляет от десятков микрон до 1—2 мм. Получена генерация и на более длинных диодах — до 11 мм [594].
Грани параллелепипеда, параллельные плоскости р—п-перехода, металлизируются, и к ним подводятся электрические контакты. Боковые грани диода матируются. Если их сделать плоскопараллельными, то образуется четырехсторонний резонатор.
Электронные процессы, происходящие в инжекционном лазере, достаточно сложны, и их строгое количественное описание до сих пор отсутствует. Рассмотрим их качественно на примере лазерного диода с р—«-переходом.
Пусть плоскость р—«-перехода перпендикулярна оси х (рис. 98). Хотя однородный полупроводник при любом уровне легирования остается электрически нейтральным, в слоях, с двух сторон примыкающих к р—«-переходу, электронейтральность отсутствует [595, 596]. В результате диффузии дырок из p-области в «-область и диффузии электронов в обратном направлении около р—«-перехода создается область объемного заряда q06, а нейтральными будут только удаленные участки полупроводника (I и II на рис. 98, а). В р-области объемный заряд отрицательный, а в «-области—положительный.
