§ 29. Полупроводниковые инжекционные лазеры

Фотоны создают фотоны. Мы уже знаем, что полупроводники способны как поглощать, так и испускать свет.

Поглощение света с энергией квантов hν ≈ W_g связано в первую очередь с явлением внутреннего фотоэффекта. Электроны, находящиеся на уровнях валентной зоны, поглощая фотоны, переходят в зону проводимости (рис. 89, а), то есть из невозбужденного состояния в состояние возбуждения. В возбужденном состоянии они находятся недолго. Спустя некоторое время, продолжительность которого зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, они возвращаются в валентную зону, рекомбинируя при этом с дырками и испуская кванты света с энергией hν, приблизительно равной ширине запрещенной зоны W_g (рис. 89, б). Пока полупроводник не подвергается никакому внешнему воздействию, возврат электронов в валентную зону происходит самопроизвольно, или, как говорят, спонтанно. Никто не может предсказать, когда произойдет акт спонтанной рекомбинации и какими свойствами будет обладать испущенный при этом фотон.

Рис. 89

Однако, помимо спонтанной, возможна еще и вынужденная рекомбинация, происходящая благодаря воздействию внешнего излучения. Фотон, попавший в полупроводник, встречая на своем пути возбужденный электрон, может его как бы "подтолкнуть" и тем самым вынудить возвратиться в валентную зону. При этом сам первичный фотон, воздействуя на электрон, никак не меняет свои свойства, а фотон, рожденный при рекомбинации электрона с дыркой, по всем характеристикам в точности такой же, как первичный фотон: он имеет такую же частоту и энергию, такое же направление распространения и такую же поляризацию. На выходе из полупроводника уже нельзя отличить первичные фотоны от фотонов вынужденного (индуцированного) излучения (рис. 90, а, б).

Рис. 90

Инверсия населенностей. Попадая в полупроводник, фотон может или поглотиться и исчезнуть, создав свободный электрон и дырку, или вызвать акт рекомбинации, сопровождающийся рождением нового фотона. Вероятности обоих процессов совершенно одинаковы. Но это не означает, что эти процессы будут происходить с одинаковой интенсивностью. Соотношения между числом переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости (поглощение света) и числом переходов электронов из зоны проводимости в валентную зону (испускание света) зависит не только от вероятностей отдельных переходов, но и от общего числа электронов, способных принять участие в каждом из этих видов переходов. Иными словами, число переходов, при которых свет поглощается, пропорционально количеству электронов, населяющих верхние энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны, а число переходов, при которых свет испускается, пропорционально количеству электронов, населяющих нижние уровни у дна зоны проводимости. В общем случае, когда распределение электронов по энергетическим состояниям определяется только тепловым возбуждением, населенность электронами верхних уровней валентной зоны всегда много больше, чем населенность нижних уровней зоны проводимости. Поэтому в обычных условиях полупроводник поглощает свет.

Для того чтобы полупроводник мог не поглощать, а усиливать свет, необходимо, чтобы населенность электронами уровней, прилегающих к дну зоны проводимости, была больше населенности уровней, находящихся вблизи потолка валентной зоны. В этом случае при равенстве вероятностей встречных актов создания и рекомбинации электронно-дырочных пар общее количество рекомбинационных актов будет преобладать. Подобное распределение электронов по энергетическим уровням представляется обратным по отношению к распределению их при тепловом равновесии, и поэтому такое состояние полупроводника называется состоянием с инверсией населенностей.

Полупроводник, в котором большинство уровней в области дна зоны проводимости занято электронами, представляет собой вырожденный электронный полупроводник с характерным для таких полупроводников расположением уровня Ферми в самой зоне проводимости. В то же время полупроводник, характеризующийся малой населенностью электронами уровней, прилегающих к потолку валентной зоны (иными словами, характеризующийся большой населенностью этих уровней дырками), есть не что иное, как вырожденный дырочный полупроводник, у которого уровень Ферми расположен в валентной зоне. Таким образом, перевод полупроводника в активное состояние, характеризующееся инверсией населенностей, связан с созданием в нем одновременного вырождения как по электронам, так и по дыркам (рис. 91). В этом случае расстояние между уровнями Ферми для электронов μ_n и для дырок μ_p оказывается больше ширины запрещенной зоны:

Это соотношение называется условием инверсии населенностей в полупроводнике.

Рис. 91

Состояние полупроводника с одновременным вырождением и по электронам и по дыркам является идеальным для усиления света, энергия квантов которого лежит в интервале от Действительно, кванты света, энергия которых лежит в этом диапазоне, не будут поглощаться таким полупроводником, так как, с одной стороны, их некому поглощать (электронов у потолка валентной зоны мало) и, с другой стороны, даже тому небольшому количеству электронов, которое может появиться в этой области, некуда переходить при поглощении кванта (уровни у дна зоны проводимости практически все заняты электронами). Вместе с тем в подобном состоянии имеются благоприятные условия для рекомбинации электронов, находящихся на заполненных уровнях зоны проводимости с дырками на пустых уровнях валентной зоны. В процессе такой рекомбинации испускаются кванты света, энергия которых лежит в указанном диапазоне.

Создание инверсии населенностей в контакте между вырожденными полупроводниками. Инверсию населенностей в полупроводнике можно получить различными путями: облучением полупроводника светом, бомбардировкой его быстрыми электронами, прямым электрическим возбуждением. Но мы остановимся на наиболее интересном способе - получении инверсии населенностей в p-n-переходе, образованном между полупроводниками, один из которых вырожден по электронам, а другой - по дыркам. Так как расстояние между уровнями Ферми у таких полупроводников больше W_g (см. рис. 77), то при создании p-n-перехода между ними возникающий потенциальный барьер оказывается больше ширины запрещенной зоны W_g. Если приложить к переходу внешнюю прямую разность потенциалов, сравнимую с контактной разностью потенциалов, то это приведет к исчезновению потенциального барьера и к созданию вблизи границы раздела области, в которой реализуется условие инверсии населенностей (рис. 92):

Рис. 92

Резкое снижение потенциального барьера приводит к интенсивной инжекции в p-n-переход электронов из n-области и дырок из p-области полупроводника. Потоки этих носителей, встречаясь в p-n-переходе^*, рекомбинируют, излучая при этом свет. Чем выше прикладываемая разность потенциалов, тем больше ток, текущий через переход, и тем более интенсивной становится рекомбинация. Минимальная сила тока, при которой интенсивность рекомбинационного излучения становится сравнимой с интенсивностью поглощенного света в p-n-переходе, называется пороговым током. При токе, большем порогового, p-n-переход становится активной средой, которая усиливает свет, распространяющийся в плоскости p-n-перехода. В таком состоянии p-n-переход может быть использован в качестве квантового усилителя света, энергия квантов которого близка к ширине запрещенной зоны. Первичное усиливаемое излучение не обязательно должно приходить в p-n-переход извне, оно может создаваться и в самом переходе за счет спонтанных переходов. В этом случае p-n-переход превращается в квантовый генератор, или лазер. Поскольку в основе работы такого источника света лежит инжекция носителей в p-n-переход, то такой квантовый генератор получил название полупроводникового инжекционного лазера.

^* (Этому способствует и малая толщина p-n-перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками.)

Для улучшения условий генерации света в любую лазерную систему вводят обратную связь, задача которой состоит в том, чтобы возвращать часть полученного излучения обратно в активную среду. Обычно для этих целей используют полупрозрачные зеркала. В полупроводниковых лазерах роль зеркал выполняют полированные грани самого кристалла, перпендикулярные плоскости p-n-перехода и параллельные между собой. Часть квантов света, отраженная от выходной грани и возвращенная обратно в кристалл, проходя через него, вызывает вынужденную рекомбинацию, при которой испускаются дополнительные кванты света, идентичные отраженным. Повторное отражение от другой грани приведет к еще большему усилению проходящего света и так далее. При многократном отражении может быть получено очень большое усиление того излучения, которое распространяется в плоскости p-n-перехода в направлении, перпендикулярном полированным отражающим граням кристалла (рис. 93).

Рис. 93

Наиболее широкое распространение получили инжекционные лазеры на основе арсенида галлия (GaAs). Грани кристаллов этих лазеров имеют размеры порядка 0,2-1 мм, а толщина p-n-перехода составляет всего приблизительно 0,1 мкм. Толщина излучающего слоя несколько больше толщины перехода и достигает 1-2 мкм. Мощность излучения лазеров на арсениде галлия равна десяткам ватт. Инжекционные лазеры имеют большой коэффициент полезного действия (коэффициент преобразования электрической энергии в световую), который во многих случаях превышает 50-60%. Большой КПД, миниатюрные размеры, простая конструкция и значительная мощность - все эти положительные стороны открывают широкую перспективу для использования инжекционных лазеров. Наиболее интересными областями применения инжекционных лазеров являются счетно-вычислительные устройства, локаторные установки с высокой разрешающей способностью, оптоэлектронные системы, устройства для безпроводной передачи энергии на расстояние, телевизионные системы и многое другое. Из логических элементов, в которых используются инжекционные лазеры, можно построить чисто оптическое вычислительное устройство с быстродействием 1 млрд, и более операций в секунду.