Gurtov_TE

p-тип

когерентное

излучение

n-тип

контакт

оптически ровные и параллельные грани

Рис. 10.12. Структура полупроводникового лазера на гомопереходе

10.5.2. Лазеры на гетероструктурах

С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом – n-GaAs–pGe, p-GaAs– nAlxGa1-xAs; c двумя гетеропереходами – n-AlxGa1-xAs – p-GaAs – p+-AlxGa1- xAs. Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток.

Схематично одна из типичных конструкций такого лазера с двойным гетеропереходом изображена на рисунке 10.13. В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока. В области гетероперехода возникает волноводный эффект, и излучение лазера происходит в плоскости, параллельной гетеропереходу.

361

а

Eg1

б

jn

hν=Eg2

VG>0

г

362

Рис. 10.13. Зонная диаграмма (а, б, в) и структура (г) полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе

а) чередование слоев в лазерной двойной n–p–p+ гетероструктуре;

б) зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом напряжении; в) зонная диаграмма лазерной двойной гетероструктуры в активном режиме генерации лазерного излучения;

г) приборная реализация лазерного диода Al0,3Ga0,7As (p) – GaAs (p) и GaAs (n) – Al0,3Ga0,7As (n), активная область – слой из GaAs (n) [2, 54]

Активная область представляет собой слой n-GaAs толщиной всего 0,1– 0,3 мкм. В такой структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка (~ 103 А/см2) по сравнению с устройством на гомопереходе. В результате чего лазер получил возможность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит из-за того, что оптические и энергетические характеристики слоев, участвующих в переходах таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки эффективно удерживаются только в активной области; лазерный пучок сосредоточен также только в активной области, где и происходит его основное усиление и распространение; лазерный пучок не испытывает по этим причинам поглощения в областях, соседних с активной. Длина волны излучения такого лазера (l = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором оптический волоконный кварц имеет минимум потерь. В настоящее время разработаны и широко внедряются лазеры на материалах GaAs с присадками In, P и др. с l = 1,3 и 1,6 мкм, также попадающие в окна прозрачности оптического кварца. Уменьшением ширины полоски лазеров с полосковой геометрией удалось довести пороговый ток до 50 мА, КПД до 60% (величина, рекордная для всех видов существующих в настоящее время лазеров).

Дальнейшее развитие лазеров на двойной гетероструктуре лежит в области новых полупроводниковых материалов на основе нитрида галлия с использованием квантовых ям в качестве областей рекомбинации. Генерация лазерного излучения в такого сорта лазерных диодах проходит в направлении, перпендикулярном плоскости гетеропереходов, поскольку внешний слой GaN имеет большую ширину запрещенной зоны и является оптически прозрачным. На рисунке 10.14. приведена структура голубого инжекционного лазера на основе нитрида галлия с квантовой ямой.

363

Рис. 10.14. Схема голубого инжекционного лазера на основе нитрида галлия с двойной гетероструктурой и квантовой ямой [9, 27]

На рисунке 10.15 приведена зависимость пороговой плотности тока Jth от рабочей температуры для трех лазерных структур. Самая слабая зависимость от температуры наблюдается для лазеров на двойных гетероструктурах (ДГлазерах). Поскольку Jth в ДГ-лазерах при 300 К может достигать значений порядка 103 А/см2 и менее, оказывается возможным реализовать режим непрерывной генерации при комнатной температуре. Благодаря этому лазеры нашли широкое применение в науке и промышленности, в частности в ВОЛС.

364

Резонатор Фабри-Перо (L = 400 мкм)

Рис. 10.15. Зависимость пороговой плотности тока от температуры для различных типов полупроводниковых лазеров [10]

Лазер на гомопереходе интересен в чисто историческом (так были устроены первые полупроводниковые лазеры) и физическом смыслах, а также тем, что позволяет лучше оценить преимущества лазеров на ДГ, которые работают в непрерывном режиме и при комнатной температуре.

Спектр применений лазеров на ДГ интенсивно расширяется. В настоящее время эти лазеры используются в качестве считывающего элемента в ком- пакт-дисковых системах, лазерных указках, источников излучения для воло- конно-оптической связи. Лазеры на соединениях AlGaInP излучают в видимой области спектра, что позволяет считывать более плотно записанную информацию. Срок службы лазеров на двойных гетероструктурах достигает

5·105 часов.

Контрольные вопросы

10.1.Каковы критерии выбора полупроводниковых материалов для оптоэлектронных приборов?

10.2.В какой области светодиодов происходит генерация оптического излучения?

10.3.Назовите три условия, необходимые для генерации когерентного излучения в полупроводниковых лазерах на основе p-n перехода.

10.4.Как можно реализовать одностороннюю инжекцию в гомо- и гетеропереходах?

365

10.5.Как отличается спектр излучения светодиода и полупроводникового ла-

зера?

10.6.В чем преимущество полупроводникового лазера с двойным гетеропереходом перед полупроводниковым лазером с одним гетеропереходом?

Задачи

10.1.Эффективность преобразования внешней (электрической) мощности планарного GaAs светодиода h равна 1,5 % при прямом токе I = 50 мА и разности потенциалов U = 2 В. Оценить генерируемую прибором оптическую

мощность Pi, если коэффициент отражения R на границе GaAs – воздух равен R = 0,8. Коэффициент преломления GaAs n = 3,6.

10.2.Оценить эффективность преобразования внешней мощности планарного

GaAs светодиода η, когда внутренняя оптическая мощность Pi составляет 30 % от приложенной электрической мощности. Коэффициент преломления

GaAs n = 3,6.

10.3.Рекомбинационное время жизни неосновных носителей заряда фотодиода τ = 5 нс. При протекании постоянного тока оптическая выходная мощ-

ность равна Pdc = 300 мкВт. Определить выходную мощность Pf, когда сигнал через диод модулирован на частоте 20 МГц и 100 МГц.

10.4.Ширина запрещенной зоны слаболегированного GaAs при комнатной температуре 1,43 эВ. Когда материал сильно легирован (до вырождения) появляются "хвосты состояний", которые эффективно уменьшают ширину запрещенной зоны на 8 %. Определить разницу в излучаемой длине волны света в случае слабого и сильного легирования.

366

Глава 11. Фотоприемники

11.1. Статистические параметры фотодетекторов

Фотодетекторы — полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

Термину фотодетектор соответствует как эквивалентный термин фото-

приемник, так и термин приемник оптического излучения.

Поскольку основная задача фотоприемников — регистрация, то существует набор статических характеристик, которыми описываются основные характеристики фотоприемника. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника — напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность, показывающая, на сколько изменится напряжение ∆U на выходе фотоприемника при единичном изменении мощности ∆P падающего лучистого потока:

Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность – величина, характеризующая изменение тока ∆I, регистрируемого в цепи фотоприемника при единичном изменении мощности ∆P падающего оптического излучения:

На фотоприемнике всегда есть хаотический сигнал, связанный с флуктуациями микропараметров приемника. Этот сигнал характеризуется средним квадратичным значением шумового напряжения:

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность — это минимальная энергия оптического излучения Pm, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

367

При m = 1 мощность оптического излучения Pm = Pmin называется минимальной пороговой чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот ∆f = 1, при этом

min SV

Величина, обратная пороговой чувствительности, называется обнаружительной способностью:

Удельная обнаружительная способность D* — величина, нормированная на единицу площади фотоприемника и на полосу частот:

Таким образом, удельная обнаружительная способность D* – это величина, обратная мощности оптического излучения, которая при полосе частот ∆f = 1 и площади фотоприемник A = 1, вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный шуму.

На рисунке 11.1 приведена зависимость обнаружительной способности D* от длины волны излучения для различных фоторезисторов и фотодиодов. [9, 10, 12, 84].

368

Рис. 11.1. Зависимость обнаружительной способности D* от длины волны излучения для различных фоторезисторов и фотодиодов (ФД). Штрихованными кривыми представлена теоретическая идеальная D* при 77 и 300 К и угле 2π [10]

11.2. Материалы для фотоприемников

Также как и для всех оптоэлектронных устройств, для фотоприемников важно использовать прямозонные полупроводники и фундаментальное поглощение вблизи края запрещенной зоны.

Последнее условие вызывает наличие красной границы в регистрации сигнала.

Граничная длина волны λгр, выше которой отсутствует регистрация излучения, при межзонных переходах определяется из следующих простых соотношений:

369

В таблице 11.1 приведены значения ширины запрещенной зоны для различных полупроводников и граничная длина волны, рассчитанная по соотношениям (11.8).

Таблица 11.1. Длина волны λгр, соответствующая началу межзонного поглощения, для различных полупроводников

При выборе фотоприемников значение также имеет спектр пропускания среды между приемником и источником. Обычно этой средой является или атмосфера, или оптоволокно. Ниже на рисунках 11.2 и 11.3 приведены эти характеристики.

370