Гетероструктурные лазеры

Гетероструктурные лазеры представляют собой полупроводниковые приборы, в которых используется принцип гетероперехода для эффективного ограничения носителей заряда и фотонов в активной области. В отличие от лазеров на основе гомоструктуры, где материал активной области и области ограничений одинаков, в гетеролазерах применяются полупроводники с различными ширинами запрещённой зоны и различной проводимостью.

Главная задача создания гетероструктур — обеспечить:

  • квантовое ограничение электронов и дырок в активном слое;
  • оптическое ограничение электромагнитной волны;
  • снижение порогового тока генерации и повышение эффективности лазера.

Двойная гетероструктура

Классическая схема гетеролазера базируется на двойной гетероструктуре (ДГС). В ней активный слой полупроводника с меньшей шириной запрещённой зоны Eg зажат между двумя слоями материала с большей шириной зоны. Это приводит к двум важным эффектам:

  1. Квантовое удержание носителей заряда – электроны и дырки остаются локализованными в узкой активной области, что увеличивает вероятность радиационной рекомбинации.
  2. Оптическое ограничение – за счёт разности показателей преломления между активной областью и окружающими слоями формируется волновод, который удерживает излучение вблизи активного слоя.

Таким образом, ДГС одновременно обеспечивает электрическое и оптическое ограничение, что резко снижает порог генерации.

Квантово-размерные эффекты

С развитием технологии стало возможным уменьшать толщину активной области до величин, сравнимых с длиной волны де Бройля электронов. В результате проявляются квантово-размерные эффекты.

  • При толщине активного слоя порядка нескольких нанометров формируется квантовая яма.
  • В таких структурах плотность электронных состояний изменяется ступенчато, что повышает эффективность рекомбинации.
  • Лазеры на основе квантовых ям обладают меньшим пороговым током, более узкой спектральной линией и лучшей температурной стабильностью по сравнению с лазерами на ДГС.

Принцип работы гетеролазера

Работа гетероструктурного лазера основана на трёх ключевых процессах:

  1. Инжекция носителей – при прямом смещении p-n перехода электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются в активный слой.
  2. Накопление носителей в активной области – благодаря разнице запрещённых зон и квантовому удержанию они не уходят в барьерные слои.
  3. Стимулированная рекомбинация – при достижении инверсии населённости происходит вынужденное излучение фотонов, которые усиливаются в резонаторе лазера.

Оптический резонатор

Чтобы обеспечить положительную обратную связь, гетеролазеры снабжены резонатором. Наиболее простая его форма — это плоскопараллельная пластина полупроводника, в которой отражение обеспечивается естественными границами кристалла. В современных устройствах применяют:

  • брушированные зеркала с высоким коэффициентом отражения;
  • диэлектрические многослойные покрытия для управления отражением;
  • решётчатые резонаторы (DFB — distributed feedback), обеспечивающие одночастотную генерацию.

Преимущества гетероструктурных лазеров

Использование гетеропереходов даёт ряд принципиальных преимуществ перед гомоструктурными лазерами:

  • низкий пороговый ток генерации (на порядки ниже);
  • высокий коэффициент квантовой эффективности;
  • широкий спектральный диапазон работы (от инфракрасной до видимой области, в зависимости от состава материалов);
  • возможность интеграции с другими полупроводниковыми приборами;
  • стабильность характеристик при изменении температуры.

Материалы для гетероструктурных лазеров

Выбор материалов основывается на принципе близости их кристаллических параметров (для минимизации дефектов) и различии в ширине запрещённой зоны. Наиболее распространённые системы:

  • GaAs/AlGaAs – для ближнего инфракрасного диапазона (0,8–0,9 мкм);
  • InGaAsP/InP – для телекоммуникационного диапазона (1,3–1,55 мкм);
  • GaN/AlGaN/InGaN – для ультрафиолетового и синего диапазонов (0,38–0,45 мкм).

Технология изготовления

Производство гетеролазеров требует высокой точности и контроля состава слоёв. Основные методы:

  • жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) – первая применявшаяся технология;
  • молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – обеспечивает атомарный контроль толщины;
  • метод органо-металлической газофазной эпитаксии (ОМГФЭ, MOVPE) – основной промышленный метод, позволяющий выращивать сложные многослойные структуры.

Современные разновидности

Развитие гетероструктурных лазеров привело к появлению целого ряда усовершенствованных приборов:

  • лазеры с квантовыми ямами (QW-lasers);
  • лазеры с квантовыми проволоками и точками – с ещё более выраженными квантовыми эффектами;
  • лазеры с распределённой обратной связью (DFB) – для спектрально-узкой генерации;
  • вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) – компактные источники излучения с выходом перпендикулярно плоскости чипа;
  • лазеры с поверхностными плазмонами – перспективное направление для субволновых источников света.

Практическое применение

Гетероструктурные лазеры находят широкое применение в самых разных областях:

  • волоконно-оптические линии связи (1,3–1,55 мкм);
  • оптические накопители информации (CD, DVD, Blu-ray);
  • лазерные принтеры и сканеры;
  • системы локации и датчики;
  • медицинская техника (лазерная хирургия, диагностика);
  • лазерная проекция и освещение.
Оглавление