Гомо- и гетероструктуры в лазерной физике
Гомоструктура представляет собой полупроводниковую структуру, образованную слоями одного и того же материала с одинаковой шириной запрещённой зоны, но отличающимися по уровню легирования. Примером является структура p-n перехода в монокристаллическом арсениде галлия (GaAs), где p- и n-области имеют одинаковый химический состав, но разную концентрацию примесных атомов.
Физика работы гомоструктурных лазеров основана на рекомбинации носителей заряда — электронов и дырок — на границе p-n перехода. Под действием внешнего напряжения происходит инжекция электронов и дырок в область перехода, где они рекомбинируют с испусканием фотонов. При превышении определённого порога инжекции возникает вынужденное излучение и начинается лазерная генерация.
Однако у гомоструктурных лазеров имеются существенные ограничения:
Эти факторы ограничили применение гомоструктурных лазеров и стали причиной перехода к более эффективным гетероструктурам.
Гетероструктура — это структура, состоящая из полупроводников с разной шириной запрещённой зоны и различными электронно-дырочными свойствами. Такие структуры строятся на базе полупроводниковых соединений III–V или II–VI групп, например GaAs/AlGaAs, InGaAsP/InP и др.
На границе между двумя различными полупроводниками возникает энергетический барьер, обусловленный разностью их запрещённых зон. Этот барьер позволяет эффективно удерживать носители заряда (электроны и дырки) и фотоны в активной области, тем самым резко увеличивая эффективность лазера.
Ключевые преимущества гетероструктур:
Гетероструктуры позволяют использовать активные области толщиной в несколько нанометров, что открывает путь к созданию квантоворазмерных структур, таких как квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки.
По числу гетеропереходов различают:
По типу выравнивания зонных диаграмм:
Двойная гетероструктура (DH) является основным элементом современных лазеров на полупроводниках. В ней активная зона (например, GaAs) с меньшей шириной запрещённой зоны помещена между двумя слоями с большей шириной (например, AlGaAs). Это обеспечивает:
DH-структуры используются в лазерах непрерывного действия, в частности в телекоммуникационных диапазонах, в CD/DVD-приводах и в медицине.
Квантовые ямы (Quantum Wells) — это активные области с толщиной порядка нескольких нанометров, в которых носители заряда квантуются по одной координате. Это ведёт к изменению плотности состояний и, как следствие, к:
Многоквантовые ямы (MQW) включают несколько таких ям, чередующихся с барьерами. Они позволяют увеличить объем активной области, сохраняя преимущества квантования.
Суперрешётки — периодические структуры из тонких слоёв с разной шириной запрещённой зоны, в которых формируется зонная министруктура, регулируемая толщиной слоёв.
Эти структуры позволяют реализовать прецизионную инженерную настройку свойств лазеров: длину волны, коэффициент усиления, температуру работы, ширину спектра.
Наиболее распространённые материальные платформы:
Выращивание гетероструктур требует субатомной точности и реализуется с помощью:
Точность контроля толщины слоёв достигает единиц ангстрем, что критически важно для квантоворазмерных структур.
Использование гетероструктур оказывает принципиальное влияние на параметры лазеров:
Особо важно то, что гетероструктуры открыли путь к созданию модулируемых, тюнируемых, вертикально-излучающих (VCSEL) и диодных лазеров с распределённой обратной связью (DFB), которые легли в основу лазеров массового применения.
Современная тенденция — это переход от классических гетероструктур к гетероинженерии:
Особое внимание уделяется нанофотонным структурам, топологическим лазерам, лазерам на квантовых точках, где гетероструктура не просто средство локализации, а часть полноценной квантово-инженерной архитектуры.