Лекция 10 Введение в специальность Полупроводниковые лазеры И

Лекция 10 Введение в специальность Полупроводниковые лазеры И. М. Белоусова Санкт-Петербург 2011

Открытие полупроводниковых лазеров Полупроводниковый лазер – лазер, в котором в качестве активной среды используются полупроводниковые материалы. • Идея использования в качестве активной среды полупроводниковых кристаллов впервые высказана академиком Н. Г. Басовым в 1958 г. • Способ возбуждения – пучком ускоренных электронов в 1960 г. • Инжекционный лазер – инжекция носителей заряда через p-n переход в 1961 г. • Американский физик Р. Холл получил когерентное излучение на p-n переходе Ga. As при Т=80˚К в 1962 г. • Физический институт АН получил генерацию на Cd. S при накачке электронным пучком в 1964 г. • Ж. И. Алферов-нобелевский лауреат изобрел лазеры на гетеропереходах полупроводниковой структуры в 1963 г. (заявка) в 1966 г. 2 (авторское свидетельство)

Полупроводники Широкий класс веществ с электронным механизмом электропроводности, занимает промежуточное положение между металлами (σ ≈ 104÷ 106 Ом-1 см-1 ) и диэлектриками (σ ≈ 10 -12÷ 10 -11 Ом-1 см-1 ) • Характерной особенностью, отличающей от металлов, является возрастание электропроводности с ростом Т При повышении Т тепловое движение электронов начинает разрывать связи электронов с атомами и часть электронов становится свободными носителями зарядов • Основные полупроводниковые материалы - Одноэлементные проводники IV группы таблицы Менделеева Si, Ge и др. - Бинарные соединения элементов AIIIBV (Ga. As, In. Sb) AIIBVI (Cd. S и др. ) AIVBIV (Si. C и др. ) AIBVII (Cu. Cl и др. ) - Тройные соединения AIIBIVC 2 V (Cd. Ge. As 2 и др. ) AIBIIICVI ( например, Ag. In. Se ) - Сложные соединения cтекла Te-As-Si-Ge AIBVI (Cu 2 O и др. ) AIIIBVI (Ga. S и др. ) AIIIBVI (Pb. S и др. )

Свойства полупроводников. Зонная структура Энергетические состояния электрона в полупроводнике представляют собой энергетические зоны, возникающие вследствие расщепления уровней энергии валентных электронов атомов, составляющих кристаллическую решетку. В сильном периодическом поле кристалла валентные электроны атомов полупроводникового кристалла – обобществляются. В проводнике имеются две зоны энергетических уровней валентная зона и зона проводимости Проводники: валентная зона и зона проводимости собственного полупроводника и распределение электронов в них при температуре Т=0 (а) и Т≠ 0 (б) Eg – запрещенная зона При Eg < 0. 5 э. В – узкозонный полупроводник, при Eg < 1. 5 э. В – широкозонный полупроводник

Электроны проводимости и дырки в полупроводниках • При Т=0˚К зона проводимости пуста и электропроводность в этом случае равна 0 • При воздействии внешнего поля, достаточного для преодоления запрещенной зоны, электрон переходит в зону проводимости – электрон проводимости • В собственных проводниках появляются дырки • Дырка движется в направлении, противоположном направлению движения электронов – “положительно заряженная частица” Возникновение в результате энергетического воздействия пары: электрон проводимости – дырка – называется генерацией носителей заряда Обратный процесс – возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону, приводящий к исчезновению свободного электрона и дырки -называется рекомбинацией носителей заряда

Свойства носителей заряда При Т≠ 0 существует определенная вероятность, что электрон вследствие теплового движения преодолеет запрещенную зону Eэ > Eg и перейдет в зону проводимости Вероятность увеличивается с температурой W~ exp (- Eg / KT) - распределение Ферми-Дирака Электроны проводимости и дырки, возникающие вследствие тепловых флуктуаций в условиях термодинамического равновесия, называются равновесными носителями заряда При внешнем воздействии (освещение, наложение электрического поля, электронный пучок) происходит избыточная генерация носителей. Эти избыточные носители называются неравновесными носителями заряда Проводимость полупроводника, обусловленная генерацией пар электрон проводимостидырка, называется собственной проводимостью. 6

Дефекты в полупроводниках Кристаллическая решетка и зонная диаграмма Si с донорной примесью замещения Eс - Ed << Eg Eс – энергетический уровень, соответствующий дну зоны проводимости Кристаллическая решетка и зонная диаграмма Si с акцепторной примесью замещения Ea - Ev << Eg Ev – энергетический уровень, соответствующий потолку валентной зоны Полупроводник, в котором преобладают электроны проводимости, называется Полупроводник, в котором преобладают дырки, называется электронным полупроводником n-типа (“negative”) дырочным полупроводником P-типа (“positive”)

Оптические свойства полупроводников Условие межзонного поглощения фотонов hν > Eg hν - энергия фотона Явление интенсивной генерации электронов проводимости и дырок под действием света, в результате его межзонного поглощения называется внутренним фотоэффектом Возникновение дополнительной электропроводности называется фотопроводимостью Квантовый выход – отношение числа образующихся носителей к общему числу поглощенных квантов. Наиболее широко применяются: Ge, Si, Se, Cd. Se, In. Sb, Ga. As, Pb. S → фотодиоды, фототранзисторы и др. Межзонные оптические переходы в полупроводниках Рекомбинация носителей может происходить излучательно и безызлучательно Край собственной полосы поглощения полупроводника hν = Eg ; ν = Eg /h

Полупроводниковый лазер. Условие создания инверсной населенности Предпосылка для получения инверсной населенности уровней Инверсное распределение электронов в однодолинном полупроводнике Если электроны перешли в зону проводимости под действием накачки, они быстро за время 10 -13÷ 10 -12 “термализуются” в зоне проводимости за счет Условие инверсной населенности для столкновений и скатываются на полупроводников “дно” зоны проводимости. Все уровни в валентной зоне Ev> Fp не заселены, а все Дырки – “всплывают”. уровни в зоне проводимости Ee< Fn полностью заселены Устанавливается свое Ee-Ev - ширина запрещенной зоны Fn-Fp > Ee-Ev квазиравновесное состояние внутри зон, т. е. “квазиуровни” Fn-Fp > Ev Ферми внутри зон проводимости и валентной Поэтому фотоны, энергия которых лежит в интервале зоны (Fn и Fp) Eg< ħν < Fn – Fp , не могут поглощаться Обратные переходы зона проводимости-валентная зона возможны. Вынужденная рекомбинация на этих переходах создает лазерное излучение

Полупроводниковые лазеры 1. 2. 3. 4. Метод накачки полупроводниковых лазеров Инжекция носителей тока через p-n переход, гетеропереход или контакт металлполупроводник. Накачка пучком быстрых электронов. Оптическая накачка. Накачка путем пробоя в электрическом поле Наиболее часто применяется метод 1 и 2 Инжекционный лазер Накачка электронным пучком а) Схематическое изображение активного элемента инжекционного лазера: 1 – полупроводниковая подложка; 2 – эмиттер электронов; 3 – активная область; 4 – эмиттер дырок; 5 – подконтактный полупроводниковый слой; 6, 7 – контактные металлические слои; 8, 9 – токопроводящие электроды б) Полупроводниковый лазер. Схемы с поперечной (а) и продольной (б) накачкой электронным пучком. Конструкция в вакуумной камере: 1 – полупроводниковый кристалл; 2 – активная область; 3 – электронный пучок; 4 – оптическое излучение; 5 – прозрачная сапфировая подложка; 6 – глухое зеркало; 7 – полупрозрачное зеркало

Резонатор полупроводниковых лазеров Оптический резонатор образуют двумя параллельными гранями кристаллической структуры (скол кристаллической структуры) или внешними оптическими элементами. Угловая расходимость 30÷ 40 ˚ Схемы обычного (а) и составных (б, в) плоских резонаторов инжекционного лазера В составных резонаторах применено внешнее зеркало (б) или прозрачная пластина с отражающей внешней гранью (в)

Параметры полупроводниковых лазеров Полупроводниковые лазеры инжекционного типа: В импульсном режиме до 100 Вт В непрерывном режиме более 10 Вт (Ga. As) В ближней ИК-области λ = 850 нм и около 10 м. Вт (Pb, Sn, Te ) В средней ИК-области λ = 10 мкм Недостатки: большая угловая расходимость, широкий спектр генерации Инверсная населенность достигается при большой плотности тока (порог генерации при комнатной температуре ~ 1 к. А/ см 2 ; при пониженной температуре ~ 102 А/ см 2 ) Полупроводниковый лазер с электронной накачкой Бомбардировка электронным пучком с энергией W= 103÷ 106 э. В. Рождаются электронно-дырочные пары. Достигает мощности 106 Вт, КПД = 30%. Применяют многоэлементные П-лазеры, их мощность достигает 107÷ 108 Вт при частоте несколько Гц и длительности 5÷ 10 нс. Обладают самым широким спектральным диапазоном генерации. Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке.

Таблица длин волн генерации полупроводниковых лазеров с различной накачкой Полупроводник Длина волны излучения, мкм Максимальная рабочая температура, К Способ накачки Zn. S Zn. O Zn 1 -x. Cdx. S Zn. Se Cd. S Zn. Te Cd. S 1 -x. Sex Cd. Se Cd. Te 0, 32 0, 37 0, 32— 0, 49 0, 46 0, 49— 0, 53 0, 49— 0, 68— 0, 69 0, 79 77 77 300 77 77 Э Э Э, О, П Э Э, О Э Ga. Se Ga. As 1 -x. Px Alx. Ga 1 -x. As Inx. Ga 1 -x. P Ga. As ln. P Inx. Ga 1 -x. As In. P 1 -x. Asx In. As In. Sb 0. 59 0, 62— 0, 9 0, 60— 0, 91 0, 83— 0, 90— 0, 91 0, 85— 3, 1 0, 90— 3, 1— 3, 2 5, 1— 5, 3 77 300 77 450 77 300 77 77 100 Э, О, И Э, О, И, П О, И Э, О, И Pb. S 1 -x. Sx Pb. Te Pb. Se Pbx. Sn 1 -x. Te 3, 9— 4, 3 3, 9— 8, 5 6, 4— 6, 5 8, 4— 8, 5 6, 4— 31, 8 100 77 100 100 Э, И О, И Э, О, И

Гетеролазеры Гетеролазер – полупроводниковый лазер на основе гетероструктур Гетеролазер – состоит из узкозонного и широкозонного полупроводника В инжекционных лазерах на p-n переходах толщина активного слоя меньше области рекомбинации носителей, что определяет большие потери энергии, высокую пороговую плотность тока и низкий КПД при Т ≥ 300 ˚ К. В гетеролазерах носители отражаются от барьера – широкозонного полупроводника. Область рекомбинации совпадает с активным слоем. Гетеролазер. Физическая электроника Зонные диаграммы полупроводниковой структуры (1), концентрация п и р(2), амплитуда светового поля и коэф. усиления g (3): а - в лазере с р - n-переходом; б - в гетеролазере с 1 гетеропереходом ; в - в гетеролазере с двойной гетероструктурой Гетеролазер с резонатором Фабри. Перо, образованный сколотыми гранями полупроводникового кристалла: {110} - плоскости естественного скола, перпендикулярные активному слою, ориентированному в плоскости {100} Энергетическая диаграмма лазерной полупроводниковой гетероструктуры: 1 – эмиттер электронов (nэмиттер); 2 – активная область; 3 – эмиттер дырок (p-эмиттер); 4 – валентная зона; 5 – запрещенная зона; 6 – зона проводимости; 7 – электроны; 8 – дырки, 9 – лаз. излучение; Eg – ширина запрещенной зоны Параметры излучения: Исключительно высокое усиление 104 см-1 Гетероструктуры Ga. As-Al. As λ от желто-зеленой до нескольких десятков мкм Твердые растворы Gax. In 1 -x Asy. P 1 -y на подложке In. P λ ~ 1÷ 6 мкм Твердые растворы Inx. Ga 1 -x Asy. Sb 1 -y на подложке Ga. Sb и Al. Sb λ ~ 2÷ 4 мкм 14

Преимущества полупроводниковых лазеров и их применение Преимущества: 1. Компактность вследствие высокого коэффициента усиления. 2. Большой КПД. 3. Широкий диапазон длин волн генерации от 0. 3 до 30 мкм. 4. Плавная перестройка длины волны излучения 5. Малая инерционность. Возможность модуляции излучения током накачки до 10 Гц. 6. Простота конструкции. Применение: В зарубежных странах потребление полупроводниковых лазеров составляет ~ 107 экземпляров • Технические устройства записи и воспроизведения информации (оптическая игла в проигрывателях, на компакт-дисках, видеодисках) • Голографические системы памяти • Лазерные принтеры • Системы накачки твердотельных лазеров • Оптические дальномеры Недостатки: 1. Большая угловая расходимость излучения. 2. Зависимость λ от Т. • Автоматика, телеметрические датчики • Указки • Волоконно-оптические линии связи • Медицина

Глобальная система оптоволоконной связи Оптоволоконная (волоконно-оптическая) связь использует в качестве носителя информации – электромагнитное излучение – лазерное излучение и в качестве направляющих систем – волоконно-оптические кабели. Основа передачи: высокая информативность достигается большой частотой лазерного излучения ν ~1014÷ 1015 Гц Необходимо при передаче информации модулированными сигналами Частота модуляции должна быть в 10 – 100 раз меньше частоты несущей частоты. Например: при передаче одного телевизионного канала необходима полоса ~ 107 Гц, следовательно, несущая должна быть ν н≥ 108÷ 109 Гц. В настоящее время освоена ёмкость одного оптоволоконного канала такая, что одновременно можно передавать 106 телефонных разговоров и 104 телевизионных программ • потери в оптическом кварцевом волокне доведены до 0. 2 д. Б/км на λ 1. 55 мкм, то есть затухание сигнала составляет ~10 раз на 100 км. Долговечность. Невозможность перехвата сигнала. Лазеры для волоконно-оптической связи λ = 0. 8 мкм Ga. As – первые лазеры Современные модули LFO-1 на основе высокоэффективных MQW In. Ga. As. P / In. P (1. 3 мкм) и Al. Ga. In. P / Ga. As (λ 1. 55 мкм) мощностью 1÷ 3 м. Вт в неохлаждаемом исполнении.