Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
гребенки, которая формируется методом ионного травления. Преимущество
этой структуры состоит в том, что в процессе ее изготовления можно
исключить повреждение активной области. Прибор также функционирует в
режиме фундаментальной поперечной моды. Так как он излучает на длине
волны 1,55 мкм, его можно использовать в качестве источника в оптических
системах связи, работающих в одномодовом режиме и обладающих низкими
потерями на больших расстояниях.
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
323
Во всех рассмотренных выше структурах обратная связь, необходимая для
генерации лазерного излучения, обеспечивается за счет отражения на
торцевых гранях резонатора, сформированных скалыванием или полировкой.
Обратная связь может быть также получена путем периодического изменения
показателя преломления внутри оптического волновода, достигаемого обычно
гофрированием границы раздела между двумя диэлектрическими слоями. Пример
такой структуры приведен на рис. 45 (вставка).
300 400
Температура Т, К
Рис. 45. Зависимость пороговой плотности тока и длины волны генерации от
температуры р - п-перехода. На вставке показан лазер с распределенной
обратной связью (РОС-лазер) [70].
324
Глава 12
?г
к
?д ШО/IS)
Е/Пн-
Ethf
Е/*
Eg(6a/fs)
E-hhz
Ev
Ehh3
Vr
И
J
-n(E)
U
\ • дыо
Тяжелые \ 1 дырки
H\
Легкие
дырки
a
Рие. 46. Зонная диаграмма в гетероструктуре с квантовой ямой (а),
диаграмма плотности состояний (б) и фононное рассеяние в гетеролазере с
квантовой ямой (в) [78].
Периодическое изменение п, заданное конструкцией прибора, вызывает
интерференцию. Лазеры, в которых используются такие гофрированные
структуры, называются лазерами с распределенной обратной связью (РОС) или
с распределенным брэгговским отражателем (РБО) [69]. Эти гетеролазеры
могут с успехом применяться в интегральной оптике в качестве источников
излучения. На рис. 45 приведены характеристики лазера с распределенной
обратной связью и (для сравнения) лазера с резонатором Фабри - Перо [70].
В температурном диапазоне 150-400 К для РОС-ла-зера наблюдались две ТЕ-
моды и одна ТМ-мода. Излучение лазера с резонатором Фабри - Перо связано
с температурной зависимостью ширины запрещенной зоны, а изменение длины
волны генерации РОС-лазера -* с более слабой температурной зависимостью
показателя преломления.
В настоящее время созданы полупроводниковые лазеры на основе структур со
сверхрешеткой (гл. 2). Такие приборы называются гетеролазерами с
квантовыми ямами [78]. Уменьшение толщины активного слоя ДГ-лазера до
величины, сравнимой с длиной волны де Бройля для носителей (k = hip, где
h - постоянная Планка, а р - импульс), приводит к двумерному квантованию
и возникновению дискретных уровней. Энергия уровней зависит от величины
потенциальных барьеров на границах конечной
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
325
прямоугольной ямы. На рис. 46, а приведена энергетическая диаграмма
гетероструктуры Al^Ga^As - GaAs, в которой Lz "=" 100 А. Уровни Еъ ?а
представляют энергетические состояния электронов, Ehhl, Ehh2, Ehh3 -
состояния тяжелых дырок, Eihi - легких дырок.
На рис. 46, б представлена соответствующая диаграмма плотности состояний.
Полупараболы, представляющие собой края зоны проводимости Ес и валентной
зоны Ev, соответствуют плотностям состояний объемного полупроводника.
Ступенчатое изменение плотности состояний характеризует структуру с
квантовыми ямами. Междузонные рекомбинационные переходы (правило отбора
Ап = 0) происходят из основного состояния в зоне проводимости (например,
?х) в основное состояние в валентной зоне (например, Ehhl). Энергия
перехода дается выражением
йсо = Eg (GaAs) + Ег + Е1М. (56)
Такая рекомбинация в отличие от рекомбинации в объемном полупроводнике с
непрерывным энергетическим спектром носителей, обусловленным
параболическим изменением плотности состояний, осуществляется при наличии
хорошо локализованных энергетических уровней. Рис. 46, в иллюстрирует
другую важную особенность гетероструктур с квантовыми ямами, состоящую в
том, что носители, инжектированные с большими энергиями, могут возбуждать
фононы и рассеивать свою энергию, переходя в конечном счете на состояния
с меньшей плотностью. В объемном полупроводнике процесс возбуждения
фононов ограничивается уменьшением плотности состояний (особенно у края
зоны), тогда как в системе с квантовыми ямами в пределах области с
постоянной плотностью состояний такое ограничение отсутствует. В
результате этого процесса энергия электрона может оказаться ниже уровня,
обусловленного квантовым ограничением, например ниже уровня Ех (рис. 46,
в), что может привести к генерации лазерного излучения с энергией фотонов
йю < Eg вместо энергии йсо i> Eg, которая характеризует рекомбинацию без
участия фононов.
Гетеролазеры с квантовыми ямами были изготовлены на основе структуры
ALGa^.As - GaAs методом химического вакуумного осаждения из
металлоорганики. Изготовленные лазеры имели полосковую геометрию, в
