Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. - малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6-10^-2см³). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 10⁴ см^-1 (см. Усиления оптического показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30-50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла - состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l " hc/DE, где h - Планка постоянная, с - скорость света.
Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна E_c заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка E_u. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше ¹/₂ от состояний с вероятностью заполнения меньше ¹/₂. Если ?и ?- квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n - частота излучения) выражается формулой: - > hn.
Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.
В П. л. применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р-n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл - полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.
Инжекционные лазеры. Лазер на р-n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20-40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см², а при пониженной температуре ~ 10² A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.
Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р-n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р-р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П. л. На р-n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р-n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.
П. л. инжекционного типа (рис. 5) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (Pb_xSn_1-xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров - слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.
П. л. с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 10³-10⁶ эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П. л. достигает 10⁶ вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6). П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой - возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~¹/₃); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE
Полупроводниковые лазерные материалы. В П. л. используются главным образом бинарные соединения типа А³В⁵, А²В⁶, А⁴В⁶ и их смеси - твёрдые растворы (см. табл.). Все они - прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.
Применение П. л.: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8). Полупроводниковые лазеры (Э - накачка электронным пучком; О - оптическая накачка; И - инжекционные лазеры; П - накачка пробоем в электрическом поле) Полупроводник Длина волны излучения, мкм Максимальная рабочая температура, К Способ накачки
ZnS
ZnO
Zn_1-xCd_xS
ZnSe
CdS
ZnTe
CdS_1-xSe_x
CdSe
CdTe
0,32
0,37
0,32-0,49
0,46
0,49-0,53
0,53
0,49-0,68
0,68-0,69
0,79 77 77 77 77 300 77 77 77 77
Э
Э
Э
Э
Э, О, П
Э
Э, О
Э, О
Э
GaSe
GaAs_1-xP_x
Al_xGa_1-xAs
In_xGa_1-xP
GaAs
lnP
In_xGa_1-xAs
InP_1-xAs_x
InAs
InSb
0.59
0,62-0,9
0,62-0,9
0,60-0,91
0,83-0,90
0,90-0,91
0,85-3,1
0,90-3,1
3,1-3,2
5,1-5,3 77 300 300 77 450 77 300 77 77 100
Э, О
Э, О, И
О, И
О, И
Э, О, И, П
О, И, П
О, И
О, И
Э, О, И
Э, О, И
PbS
PbS_1-xS_x
PbTe
PbSe
Pb_xSn_1-xTe
3,9-4,3
3,9-8,5
6,4-6,5
8,4-8,5
6,4-31,8 100 77 100 100 100
Э, И
О, И
Э, О, И
Э, О, И
Э, О, И
Историческая справка. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р-n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р-n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании П. л. с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.
Лит.: Басов Н. Г.. Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р-n-переходах вырожденных полупроводников, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1961, т. 40, в. 6; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, "Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4; Пилкун М., Инжекционные лазеры, "Успехи физических наук", 1969, т. 98, в. 2; Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, "Квантовая электроника", 1972, Ї 6 (12); Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения Инжекционных полупроводниковых лазеров, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 4.
? П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.