Файл: Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике.pdf

института им. П. Н. Лебедева АН СССР Н. Г. Басов, Б. М. Вул и Ю. М. Попов. Для получения инверсной за­ селенности предлагалось использовать механизм иони­ зации примесей полупроводникового образца, находяще­ гося при низкой температуре, под действием коротких импульсов электрического поля.

На пути реализации этого и других выдвинутых пред­ ложений встретились в то время серьезные трудности. Лишь идея Н. Г. Басова, А. Н. Крохина и Ю. М. Попова (1961 год) использовать рекомбинационное излучение, возникающее при пропускании тока через р—«-переход в прямом направлении, привела к созданию полупровод­ никовых квантовых генераторов. Вначале в Физико-тех­ ническом институте им. А. Ф. Иоффе АН СССР было зафиксировано сужение линии излучения арсенида гал­ лия. А в конце 1962 года в США появились сообщения о получении лазерного эффекта в полупроводниковых дио­ дах.

Схема инжекционного лазера показана на рис. 3. Ос­ новной его частью служит полупроводниковый монокри­ сталл. Диод имеет форму прямоугольного параллелепи­ педа с длиной резонатора около 0,5—1 мм. Усиление света происходит в активном слое толщиной 1—2 мкм вблизи электронно-дырочного перехода (пунктирная ли­ ния). Генерируемое излучение выходит через кристалли­ ческие грани, расположенные параллельно друг другу и перпендикулярные плоскости р—«-перехода.

Малые размеры лазерных диодов обусловлены труд­ ностями изготовления оптически однородных р—«-пере­ ходов больших размеров. Чем выше качество активного слоя и меньше потери световой энергии в резонаторе, тем ниже порог генерации. С понижением температуры диода от комнатной до температуры жидкого азота (—196 °С, или 77 °К) пороговый ток уменьшается более чем в 10 раз. Поэтому наилучшие параметры инжекционные ла­ зеры имеют в условиях охлаждения до криогенных тем­

10

ператур. Для лучших лазеров на GaAs плотность порого­

ности в несколько тысяч киловатт.

Фундаментальные исследования, приведшие к созда­ нию полупроводниковых квантовых генераторов, были отмечены Ленинской премией 1964 года, которая при­ суждена группе московских и ленинградских ученых: Б. М. Вулу, О. Н. Крохину, Ю. М. Попову, А. П. Шотову, Д. Н. Наследову, С. М. Рывкииу, А. А. Рогачеву, Б. В. Царенкову.

Создание инжекционных лазеров — большой успех квантовой электроники. Расширился круг веществ, при­ годных для генерации света, появились новые возмож­ ности управления частотой и интенсивностью лазерного излучения. Такие качества инжекционных лазеров, как малые размеры, механическая прочность, высокий к.п.д., малая потребляемая мощность, возможность высокоча-

Рис. 3. Конструкция инжекционного лазера: 1 ~ контакты; 2 — об­ ласть р-типа; 3 — область л-типа

11

стотной модуляции излучения, приемлемые мощности ге­ нерации и, наконец, сравнительно невысокая стоимость, привлекли внимание не только многочисленных исследо­ вателей, но и разработчиков приборов на основе кванто­ вых генераторов. Однако надо отметить и ряд недостат-. ков, присущих инжекционным лазерам. Они уступают другим типам лазеров на твердом теле в тех случаях, когда требуется высокая импульсная мощность. По срав­ нению с газовыми лазерами у ПКГ шире спектральная линия излучения и больше расходимость светового луча. Инжекционные лазеры, как и другие типы лазеров, под­ вержены процессам деградации — старения, их энергети­ ческие характеристики ухудшаются в течение длитель­ ной работы. Несмотря на это, инжекционные лазеры уже сейчас нашли широкое применение в науке и технике. И несомненно, что дальнейшее улучшение их параметров еще больше расширит сферу применения лазерных диодов.

Внастоящее время генерация когерентного излучения

вдиодах осуществлена на 20 полупроводниках (табл. 1).

К ним относятся материалы и их сплавы, халькогениды свинца и твердые растворы соединений некото­ рых элементов IV и VI групп. Инжекционные лазеры ох­ ватывают широкий и интересный с точки зрения практи­ ческого применения диапазон длин волн от 31 до 0,6 мкм. Длину волны излучения лазерного диода можно плавно изменять, воздействуя на кристалл магнитным полем или создавая в материале механические напряжения. Регули­ руя температуру, можно в некотором интервале устано­ вить рабочую частоту генерации на нужное значение. Интервал генерируемых частот расширяется при измене­

12

13

Продолжение табл, t

*Получена генерация на гетеропереходах.

**Лазерный эффект наблюдается на структурах металл—полу­ проводник.

ный слой полупроводника вблизи инжектирующего ме­ таллического контакта. Такие лазерные структуры со­ зданы лишь на основе теллурида свинца РЬТе и сплава теллуридов олова и свинца (Sn, Pb) Те. Гораздо лучшеразработана технология получения оптически однород­ ных р — н-переходов в объеме полупроводника путем: контролируемого введения в кристалл донорных и акцеп­ торных примесей.

14

пропускании тока не более 30 а импульсная мощность излучения промышленных решеток, состоящих, например, из 60 диодов, доходит до 300 вт. Кроме малых решеток изготавливаются также лазерные решетки, содержащие до 1000 диодов и излучающие мощности свыше киловат­ та. Лазерные столбики составляются из небольшого чис­ ла диодов и имеют поэтому меньшие импульсные мощ­ ности. Их излучение легко собирается с помощью сравни­ тельно несложных оптических систем.

Использование гетеропереходов

Новой ступенью в развитии инжекционных лазеров явилась реализация идеи об использовании гетеропере­ ходов в ПКГ. В отличие от обычного р—«-перехода гете­ ропереход представляет собой контакт двух полупровод­ ников с разными ширинами запрещенной зоны. Наиболее совершенные гетеропереходы получаются методом эпи­ таксии, который заключается в выращивании монокристаллического слоя полупроводника на подложке, имею­ щей определенную кристаллографическую ориентацию. Такое эпитаксиальное выращивание может осущест­ вляться из газовой или жидкой фазы и позволяет изго­ товлять многослойные полупроводниковые структуры с одним (рис. 4, а) и более гетеропереходами.

Фундаментальные исследования свойств гетероперехо­ дов в полупроводниках проведены в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе АН СССР. Наиболее идеаль­ ные гетеропереходы получаются в системе арсенидов алюминия и галлия AlAs—GaAs. На их основе уже соз­ даны различные полупроводниковые приборы, а некото­ рые выпускаются промышленностью. Инжекционные ла­ зеры — одна из самых интересных областей применения гетеропереходов в электронике.

Впервые когерентное излучение в эпитаксиальных структурах с гетеропереходами в системе AlAs—GaAs

16

Рис. 4. Схематическое изображение ПКГ с одним (о) и двумя гете­ ропереходами (б): 1 — подложка GaAs п-типа; 2 — активный слой

GaAs р-типа; 3—слой (Al, Ga)As р-типа; 4—слой (Al, Ga)As п-типа

наблюдал Ж. И. Алферов с сотрудниками (1968 год). Активным слоем в гетеролазерах служит обычно полу­ проводник с меньшей шириной запрещенной зоны и боль­ шей диэлектрической постоянной, чем у окружающего материала. Вследствие заметной разности диэлектриче­ ских постоянных активный слой играет роль высокока­ чественного оптического волновода. Кроме того, благо­ даря потенциальным барьерам на границах гетеропере­ ходов осуществляется локализация инжектированных носителей тока. Поэтому плотности порогового тока для инжекционных лазеров с гетероструктурой оказываются при комнатной температуре ниже порогов генерации для

(рис. 4, б). Это позволило создать инжекционные лазеры, работающие непрерывно при комнатной температуре и

до 700 а/см2. Благодаря малым потерям внешний кван­ товый выход излучения достигает у лучших гетеролазе­ ров 70%. В импульсном режиме полученное значение

максимальной рабочей температуры +160°С является наиболее высоким для полупроводниковых лазеров.

Гетеролазеры на полупроводниках A IUBV излучают в области длин волн 0,6—1 мкм и обеспечивают средние мощности 100—200 мет. Длина волны генерации лазер­ ных диодов на основе сплава теллуридов олова и свинца (Sn, РЬ)Те с одним гетеропереходом лежит в далекой инфракрасной области (9—11 мкм).

Экпериментальные исследования структуры и свойств инжекционных лазеров на гетеропереходах отмечены в 1972 году Ленинской премией. Лауреатами стали ленин­ градские ученые Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, Д. 3. Гарбузов, В. И. Корольков, Д. Н. Третьяков и В. И. Швейкин (Москва). Решением совета Франклиновского института (Филадельфия, США) Ж- И. Алферову при­ суждена также медаль Стюарта Баллэнтайна 1971 года.

ПКГ с электронным возбуждением

При электронном методе накачки снимаются пробле­ мы, связанные с изготовлением высококачественных р—«-переходов в полупроводниках. Электронная накач­ ка может быть использована для возбуждения тех полу­ проводниковых кристаллов, в которых вообще невозмож­ но создать удовлетворительный р—«-переход. Это позво­ ляет наблюдать генерацию излучения в большем числе полупроводников.

Впервые возбуждение полупроводникового квантово­ го генератора пучком быстрых электронов осуществили в начале 1964 года Н. Г. Басов, О. В. Богданкевич и А. Г. Девятков. Порог генерации в таких лазерах достигается путем варьирования плотности тока и энергии возбужда­ ющих кристалл быстрых электронов.

Быстрые электроны, легко проникая в глубь полупро­ водника, расходуют свою энергию на перевод валентных электронов в зону проводимости. Обычно только 60—

18