Курс лекций Квантовая и оптическая электроника для направления подготовки

Практическое занятие№8 
Полупроводниковые лазеры 
Полупроводниковые лазеры на кристалле GaAs были созданыв 1962 в 
лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка(США). Основной 
элемент полупроводникового лазера – pnпереход. Действие лазера основано 
на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в p-область, где 
происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. 
Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая 
концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением 
концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того чтобы инжекция 
электронов в p-область превышала инжекцию дырок в n-область (где 
рекомбинация безызлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область 
целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной 
примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в p- 
области. Таким образом, для получения состояния с инверсией 
населенностей в p-области необходима высокая степень легирования 
примесями обеих областей p-n-перехода. Инверсия населённостей 
достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог 
генерации соответствует плотности тока 1-4 кА/см2, а при пониженной 
температуре ~ 102 A/см2). Излучателем является узкая часть p-области, 
прилегающая к pn-переходу. Зеркалами являются гладкие грани самого 
полупроводникового кристалла, получаемые обычно скалыванием его краев. 
Вынужденное излучение происходит параллельно р-n-переходу. Типичными 
размерами лазерного кристалла являются (мкм): длина 100 – 500, ширина 200 
– 400, высота 80 – 100, толщина области рекомбинации 1 – 3. Изменяя состав 
активной среды можно варьировать длину волны излучения в широком 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

интервале. Меньшую перестройку длины волны в данном материале можно 
осуществлять за счет изменения температуры, давления, напряженности 
магнитного поля.
Материалом для полупроводниковых лазеров могут быть соединения 
типа: А3В5 (GaN, GaSb, InP, GaInAs, и т. д.) А4В4 (PbS, PbTe, PbSSe, и т. д.) 
А2В6 (ZnO, CdS, ZnCdS и т. д.) А3В6 (GaSe, InSe и т. д.). 
В пределах участка непрерывной перестройки частоты инжекционный лазер 
характеризуется очень высоким спектральным разрешением. Мощность 
излучения в многомодовом режиме составляет несколько милливатт, в 
одномодовом режиме около 0.1 - 1 мВт. Созданы промышленные 
полупроводниковые лазеры мощностью несколько Вт и интегральные 
лазерные решетки мощностью десятки и сотни Вт. Одна из важных проблем 
полупроводниковых лазеров - создание приборов для коротковолнового 
диапазона. В настоящее время созданы лазеры для синей области спектра на 
основе нитрида галлия, материалов группы А2В6. Следует отметить, что в 
последнем случае имеются значительные трудности при создании n-p-
перехода, и лазерные диоды реализуются на переходе полупроводник-металл 
(диоды Шотки). Инжекционные лазеры по сравнению с другими типами 
лазеров отличаются высоким КПД (теоретически до 80%), простотой 
возбуждения, малыми размерами, низким напряжением накачки, высокой 
надежностью. В настоящее время разработаны и широко внедряются лазеры 
на материалах GaAs с присадками In, P и др. с λ = 1,3 и 1,6 мкм, попадающие 
в окна прозрачности оптического кварца. Уменьшением ширины полоски 
лазеров с полосковой геометрией удалось довести пороговый ток до 50 мА, 
КПД до 60 % (величина, рекордная для всех видов существующих в 
настоящее время лазеров). С целью уменьшения пороговой плотности тока 
были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом - n-
GaAs–p-Ge, p-GaAs–n-AlxGa1–xAs; c двумя гетеропереходами - n-AlxGa1–
xAs – p-GaAs – p+-AlxGa1–xAs. Использование гетероперехода позволяет 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере 
лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток. 
Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) 
представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры). 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 полупроводниковых лазерах 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 полупроводниковых лазеров на гетеропереходе 
необходимая плотность тока при Т = 300К более чем в 10 раз ниже, чем у 
полупроводниковых лазеров на р-n-переходе, что позволяет осуществить 
непрерывный режим генерации при температуре до 350 К. 
Инжекционные лазеры находят широкое применение в медицине 
(терапия, хирургия, онкология, офтальмология, косметология и т.д.), для 
накачки твердотельных лазеров, в том числе волоконных, для обработки 
материалов, в полиграфии, системах беспроводной оптической связи, 
датчиках и охранных системах, автоматике и робототехнике, спектроскопии, 
научных исследованиях. 
Задачи 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

1.Разрезной диод (рис. 1) работает в режиме с одним возбужденным 
типом колебаний. Плотности токов через части диода 
1
i
 и 


2
1
2
i
i
i

, а объемы 
активных частей диода 
1
V
и 
2
V
соответственно, причем 




1
2
/V
V
Пользуясь простейшими кинетическими уравнениями, получить 
условие самовозбуждения диода. 
Указание. Считать, что коэффициенты усиления частей диода, 
отнормированные на единицу объема активных частей, имеют вид: 
;
2
1
exp
1
1
exp
0























kT
E
E
E
E
A
g
i
F
i

где 
A
— константа; 


— константа, определяющая плотность состояний 

в 
зоне проводимости 
E
E
E
;
exp
0


















— частота в энергетических единицах


0
; E
E



-параметр легирования; 

i
n
F
квазиуровень Ферми для электронов в 
зоне проводимости части 
i
 диода. 
Рис 1. К задаче: 
а- схема разрезного диода (1 и 2 части диода); б- зависимость коэффициента 
усиления от энергии. 
а) 
1 2 
E 
1
n
F
2
n
F
g
б) 
СКФУ_ИЭЭиН_ТН

---

При расчете принять, что как расстояние между квазиуровнями Ферми 
2
1
n
n
F
F

так расстояние между частотой генерации и любым квазиуровнем 
Ферми значительно меньше 
kT
. 
2.Учитывая, что показатель преломления имеет достаточно сильную 
зависимость от длины волны, выведите выражение для разности частот двух 
соседних продольных мод полупроводникового лазера со структурой типа 
Фабри-Перо. Выразите эту разность частот через групповой показатель 
преломления n
g
 = n-λ(dn/dλ) 
3.Рассмотрим пространственно-когерентный пучок, выходящий из 
торца полупроводникового лазера. Допустим, что распределения 
поперечного поля имеют гауссов профиль по направлениям параллельно и 
перпендикулярно переходу, а размеры пятен равны соответственно 0,5мкм и 
2,5мкм. Предположим также, что перетяжка пучка для обоих распределений 
располагается на выходном торце кристалла. Вывести выражение для 
расстояния, на котором поперечное сечение луча приобретает форму круга.