3. Полупроводниковые лазеры

В настоящее время удалось осуществить генерацию на p-n-переходе в арсениде галлия [2, 20, 21] и сплаве арсенида и фосфида галлия [22].

Наиболее характерное свойство арсенида галлия, позволившее использовать его для создания лазера,- это большая вероятность излучательных переходов. Рекомбинационное излучение арсенида галлия при возбуждении посредством инжекции носителей тока через p-n-переход наблюдалось в работах [23, 24], при оптическом возбуждении - в работах [16, 30] и при электронном возбуждении - в работе [18]. Переход в арсениде галлия осуществляется, как правило, путем диффузии акцепторных примесей в материал, легированный донорными примесями

Наследову, Рывкину и др. [23] удалось наблюдать сужение спектральной линии излучения арсенида галлия в p-n-переходе. Сообщения о вынужденном излучении и генерации были сделаны Холлом и др. [20], Натаном и др. [21] и Басовым, Вулом и др. [2].

Фиг. III. Генератор на p-n-переходе. 1 - GaAs p-типа; 2 - p-n-переход; 3 - GaAs n-типа; 4 - контакты; 5 - полированные грани

Лазер на p-n-переходе арсенида галлия, осуществленный в работе [20], изображен на фиг. III. Лазер представляет собой монокристалл арсенида галлия, по форме близкий к кубу, с линейными размерами порядка 0,4 мм (разные образцы имели несколько различные размеры). Переход p-n расположен вблизи середины образца и образует плоскость, перпендикулярную двум противоположным граням, которые отполированы с высокой степенью точности и за счет весьма большого коэффицента отражения (30%) образуют зеркала объемного резонатора. Две боковые грани образца скошены под некоторым углом, что препятствует возникновению генерации в направлении, перпендикулярном этим граням. Области p и n легированы до концентраций вырождения. Лазер работал при температуре жидкого азота 77° К.

Напряжение в прямом направлении подавалось импульсами длительностью от 5 до 2 мксек. При плотности тока около 8500 а/см² интенсивность излучения на длине волны 8420 А в направлении, перпендикулярном полированным граням, начинала резко возрастать, что указывало на появление вынужденного излучения. Одновременно с этим происходило изменение спектрального состава излучения. Начальная ширина спектральной линии рекомбинационного излучения полупроводников определяется температурой кристалла и составляет величину порядка kT, что соответствует ширине для арсенида галия при температуре жидкого азота. При малых токах ширина спектральной линии в эксперименте составляла 125 Å в полном соответствии с экспериментами по рекомбинационному излучению. При некотором пороговом значении тока происходит сужение спектральной линии до 15 Å. Авторы предполагают, что при этом генерация происходит на нескольких различных типах колебаний и с увеличением тока в некоторых случаях они получили дополнительные максимумы интенсивности в области более низких частот (фиг. IV).

Фиг. IV. Зависимость интенсивности излучения генератора от длины волны на p-n-переходе GaAs

В работе [2] минимальная ширина линии излучения, измеренная интерферометром, составила вели-чину порядка 1 Å.

Изучение формы спектральной линии и определение интенсивности выходящих из лазера когерентного и некогерентного излучений проведено в работе [25] и результаты представлены на фиг. V. Минимальная ширина спектральной линии составляла менее 0,5 Å, что равно предельному значению разрешающей способности прибора. Изучение интенсивности когерентной и некогерентной частей излучения показало, что при токе, превышающем порог самовозбуждения генератора, спонтанное (некогерентное) излучение имеет тенденцию возрастать, однако значительно медленнее, чем когерентное излучение. Следует заметить, что в этих экспериментах предельные значения тока не сильно превышали пороговое значение.

Фиг. V. Зависимость интенсивности излучения генератора от длины волны на p-n-переходе GaAs

Генерация на p-n-переходе в арсениде галлия получена также при температурах жидкого гелия [26, 27]. В работе [26] наблюдалось излучение при температуре 1,95-2,0° К на длине волны 8383 Å. Излучение было получено в непрерывном режиме; плотность порогового тока составляла около 70 а/см², а при плотности тока более 150 а/см² или при температуре выше 2,1° К генерация прекращалась.

В работе [28] получена генерация при комнатной температуре (25°С). Пороговое значение плотности тока составляло около 105 а/см², т. е. примерно на порядок превышало пороговое значение при температуре жидкого азота. Линия излучения в режиме генерации сужалась до 1,5 Å при начальной ширине порядка 250 Å. Излучение имело ряд максимумов интенсивности с длинами волн в интервале 9000-9050 Å.

Представляет интерес также попытка экспериментального и теоретического изучения эффекта направленности излучения полупроводникового лазера и со-доставления ей различных мод резонатора, который возникает, если слой p-n-перехода подобен волноводу с отражающими стенками [29].

В работе [22] сообщается о генерации излучения на p-n-переходе в сплаве Когерентное излучение наблюдалось на длине волны около 7000 Å и состояло из нескольких линий, спектральная ширина которых менее 1 Å.

В заключение следует отметить, что создание полупроводникового лазера с высоким к. п. д. является, безусловно, значительным достижением, которое, по-видимому, имеет большое значение для практики. Авторы Дополнения полностью отдают себе отчет в том, что при современных высоких темпах развития техники генерации оптического излучения приведенный ими материал к моменту выхода настоящей книги из печати в значительной степени устареет, однако они надеются, что эта часть книги может послужить кратким введением к литературе по полупроводниковым лазерам, объем которой непрерывно растет со скоростью более чем одна статья за день.