книги из ГПНТБ / Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике

В. К. КОНОНЕНКО

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ЛАЗЕРЫ

ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ВНАУКЕ И Т Е Х Н ИК Е

Р е д а к т о р

доктор физико-математических наук

В. П. ГРИБКОВСКИЙ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА И ТЕХНИКА М и н с к 1 9 7 5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Особое место среди оптических квантовых генерато­ ров-лазеров занимают полупроводниковые квантовые генераторы (ПКГ). Они привлекают внимание не только исследователей, работающих в области квантовой элект­ роники, но и многих специалистов других областей нау­ ки и производства. Широким фронтом ведется изучение физики процессов, происходящих в полупроводниковых лазерах. ПКГ служат инструментом в различных .науч­ ных исследованиях, находят разнообразное применение в технике.

Впервые лазерный эффект в полупроводниках наблю­ дался в конце 1962 года на арсениде галлия GaAs. С тех пор генерация излучения получена более чем на 30 полу­

халькогениды свинца, твердые растворы полупроводни­ ковых соединений, например фосфида и арсенида галлия Ga(P, As), и такие сложные вещества, как CdSnP2. Воз­ буждение активных кристаллов осуществляется с по­ мощью быстрых электронов, при пропускании электри­ ческого тока, используются также оптическая накачка и лавинный пробой.

Среди всех типов ПКГ выделяются лазеры, возбуж­ даемые электрическим током, или инжекционные лазеры.

ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ И ИХ УСТРОЙСТВО

Уровни энергии и электронные переходы в полупроводниках

Полупроводники как рабочее вещество для лазеров привлекли к себе внимание физиков возможностью реа­ лизации оптических квантовых генераторов в широком диапазоне длин волн — от далекой инфракрасной об­ ласти до ультрафиолетовой, разнообразием методов их возбуждения, большим коэффициентом усиления света. Все эти свойства связаны с особенностями энергетиче­ ского спектра электронов в полупроводниках.

В отличие от изолированного атома полупроводнико­ вый кристалл обладает не отдельными уровнями энергии, а широкими полосами (зонами) разрешенных энергети­ ческих состояний. В идеальном кристалле (без примесей и дефектов решетки) электроны могут иметь только те значения энергии, которые находятся в пределах какойлибо разрешенной зоны. Так как электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, при температуре абсолютного нуля они полностью заполняют определен­ ное число разрешенных зон (рис. 1, а). Верхняя запол­ ненная зона / называется валентной зоной. Она отделена так называемой запрещенной зоной энергий // от после­

рактеристик полупроводника, она определяет его элект­ рические и оптические свойства. Для большинства по­

5

лупроводников ширина запрещенной зоны составляет

0,1—3 эв.

С повышением температуры кристалла возрастает амплитуда колебаний атомов решетки, и часть электро­ нов валентной зоны, получая энергию от решетки, пере­ ходит в зону проводимости. Эти электроны становятся носителями электрического тока, они перемещаются в полупроводнике под действием электрического поля. При переходе электронов в зону проводимости в ва­ лентной зоне остаются свободные места — дырки, кото­ рые ведут себя как положительно заряженные частицы и также относятся к свободным носителям тока. Распреде­ ление электронов и дырок по энергетическим уровням описывается функцией Ферми—Дирака. Схематически это изображено на рис. 1, б.

Образование электронов проводимости и дырок в ва­ лентной зоне может быть вызвано не только тепловыми колебаниями кристаллической решетки, но и многими внешними воздействиями на полупроводник, например светом. Если энергия светового кванта-фотона больше

Рис. 1. Зонная диаграмма полупроводника: а — кристалл при 0°К; б — возбуждение полупроводника; в — инверсная заселенность и из­ лучательная рекомбинация

6

полупроводнике будут возникать электронно-дырочные пары. Наряду с образованием свободных носителей тока происходит и обратный процесс — их рекомбинация. При рекомбинации электроны заполняют свободные места в валентной зоне, дырка и электрон проводимости исчеза­ ют. Теряемая при этом энергия либо передается кри­ сталлической решетке (безызлучательная рекомбина­ ция), либо выделяется в виде квантов света.

Процесс испускания квантов света происходит само­ произвольно, или, как говорят, спонтанно, с одинаковой вероятностью в любом направлении. Кроме спонтанной рекомбинации происходит также вынужденная излуча­ тельная рекомбинация. Под действием распространяю­ щихся в кристалле фотонов при вынужденной рекомбина­ ции электронно-дырочных пар излучаются дополнитель­ ные фотоны, тождественные по энергии и направлению распространения первичным фотонам. В обычном со­ стоянии все вещества поглощают свет, так как процесс вынужденного испускания незначителен. Однако в усло­ виях инверсной заселенности, когда в зоне проводимости много электронов, а в валентной зоне много дырок, вы­ нужденное излучение превышает поглощение — полупро­ водник усиливает свет.

Источниками носителей тока могут служить опреде­ ленные примеси, вводимые в полупроводниковый кри­ сталл. Примесные атомы вызывают появление дополни­ тельных уровней энергии в запрещенной зоне. Существу­ ют два сорта примесей: доноры и акцепторы. Доноры способны отдавать электрон в зону проводимости, они имеют уровни энергии вблизи дна этой зоны. Примеси, которые захватывают электрон, создавая дырку в ва­ лентной зоне, относятся к акцепторам. Их уровни рас­ положены вблизи потолка валентной зоны. При введении донорных примесей электропроводность кристалла опре­ деляется в основном электронами проводимости. Такие примесные полупроводники называют электронными

7

(«-типа). Если преобладают акцепторы, то электропро­ водность носит дырочный характер (р-типа).

В полупроводниках, содержащих большое число при­ месных атомов, рекомбинация носителей тока может происходить главным образом через примесные уровни. Например, электрон сначала переходит из зоны прово­ димости на акцепторный уровень, а затем в валентную зону (рис. 1, в). Таким образом, энергия излучаемых квантов зависит как от ширины запрещенной зоны, так и от примесного состава полупроводника.

Если в одну часть полупроводникового кристалла ввести определенное количество доноров, а в другую — акцепторов, то на границе раздела областей с разным типом проводимости образуется электронно-дырочный переход, или р—«-переход. Полупроводниковые диоды имеют один р—«-переход. Когда к диоду прилагается внешнее электрическое напряжение, то через переход течет электрический ток. При прямом смещении (плюс подается на /5-область) электроны и дырки инжектиру­ ются навстречу друг другу и вблизи р—«-перехода мо­ жет возникнуть состояние инверсной заселенности. По­ лучается тонкий слой вещества, способный усиливать свет посредством вынужденной излучательной рекомбинации носителей тока.

Чтобы получить лазерный эффект, усиливающую сре­ ду надо поместить между зеркалами резонатора. В про­ стейшем случае оптическим резонатором служит интер­ ферометр Фабри — Перо, состоящий из двух плоских параллельных друг другу зеркал, одно из которых или оба полупрозрачны (рис. 2). Благодаря зеркалам фото­ ны, распространяющиеся перпендикулярно к их поверх­ ности, многократно проходят через усиливающую среду.

В полупроводниковых лазерах роль зеркал выполня­ ют обычно отполированные или сколотые грани самого полупроводникового кристалла. Процесс генерации из­ лучения начинается при достаточно высокой плотности

8

Рис. 2. Усиление света в оптических квантовых генераторах: 1 — не­ прозрачное зеркало; 2 — спонтанные кванты; 3 — полупрозрачное зеркало

тока, проходящего через полупроводниковый диод. Ток должен превышать так называемое пороговое значение, когда усиление света компенсирует все потери световой энергии в рабочем веществе и оптическом резонаторе. С увеличением тока выше порога мощность генерируемо­ го излучения возрастает.

Излучение лазеров обладает рядом интересных осо­ бенностей, которые отличают оптические квантовые ге­ нераторы от других источников света. Процесс вынуж­ денного испускания приводит к тому, что колебания всех световых волн оказываются согласованными между собой по частоте и фазе, т. е. когерентны. Вместо хаоти­ ческого спонтанного свечения образуется остронаправлениый и монохроматический поток электромагнитного излучения.

Инжекционные лазеры

На возможность использования вынужденного испу­ скания при рекомбинации электронов и дырок в полупро­ водниках для усиления света указывалось еще на заре квантовой электроники. Впервые идею создания полу­ проводникового квантового генератора выдвинули в 1958 году советские ученые, сотрудники Физического

9