Напівпровідниковий лазер

Напівпровідниковий лазер , напівпровідниковий квантовий генератор, лазер з напівпровідниковим кристалом як робоча речовина. У П. л., на відміну від лазерів ін. типів, використовуються випромінювальні квантові переходи не між ізольованими рівнями енергії атомів, молекул і іонів, а між дозволеними енергетичними зонами кристала (див. Тверде тіло ) . В П. л. збуджуються і випромінюють (колективно) атоми, що складають кристалічну решітку. Ця відмінність визначає важливу особливість П. л. — малі розміри і компактність (об'єм кристала ~10 ^-6 —10 ^-2 см ³ ) . В П. л. удається отримати показник оптіч. посилення до 10 ⁴ см ^-1 (див. Посилення оптичного показник ), хоча зазвичай для збудження генерації лазера достатні і менші значення (див. нижчий). Іншими практично важливими особливостями П. л. є: висока ефективність перетворення електричної енергії в енергію когерентного випромінювання (до 30—50%); мала інерційність, що обумовлює широку смугу частот прямої модуляції (більш 10 ⁹ Ггц ) ; простота конструкції; можливість перебудови довжини хвилі l випромінювання і наявність великого числа напівпровідників, довжин хвиль, що безперервно перекривають інтервал, від 0,32 до 32 мкм.

  Люмінесценція в напівпровідниках . При рекомбінації електронів провідності і дірок в напівпровідниках звільняється енергія, яка може випускатися у вигляді квантів випромінювання ( люмінесценція ) або передаватися коливаннями кристалічної решітки, тобто переходити в тепло. Доля випромінювальних актів рекомбінації в таких напівпровідників, як Ge і Si, дуже мала, проте в деяких напівпровідниках (наприклад, Gaas, CDS) при очищенні і легуванні вона може наближатися до 100%.

  Для спостереження люмінесценції необхідно застосувати який-небудь спосіб збудження (накачування) кристала, тобто спосіб генерації надлишкових електронно-діркових пар (світлом, швидкими електронами або електричним полем). При малій швидкості утворення надлишкових електронно-діркових пар випромінювальна рекомбінація носить безладний (спонтанний) характер і використовується в нелазерних напівпровідникових джерелах світла (див. Светоїзлучающий діод ) . Щоб отримати генерацію когерентного випромінювання, тобто лазерний ефект, необхідно створити особливий стан люмінесцирующего кристала — стан з інверсією населенностей .

  Рекомбінація електронно-діркової пари може супроводитися випусканням кванта випромінювання, близького по енергії до ширини забороненої зони D E напівпровідника ( мал. 1 , а); при цьому довжина хвилі l » hc/ D E , де h — Планка постійна, з — швидкість світла.

  Інверсія населенностей в напівпровідниках . Оптичне квантове посилення в напівпровіднику може спостерігатися в тому випадку, якщо зона провідності поблизу її дна E _з заповнена електронами більшою мірою, чим валентна зона поблизу її стелі E _u . Переважання числа переходів з випусканням квантів над переходами з їх поглинанням забезпечується тим, що на верхніх рівнях знаходиться більше електронів, чим на ніжніх, тоді як вірогідність вимушених переходів в обох напрямах однакова. Заповнення зон прийнято описувати з допомогою т.з. квазірівнів Фермі, що відокремлюють стану з вірогідністю заповнення рівнів більше ¹ / ₂ від станів з вірогідністю заповнення менше ¹ / ₂ . Якщо і  — квазірівні Фермі для електронів і дірок, та умова інверсії населенностей відносно переходів з енергією hn (де n — частота випромінювання) виражається формулою:

— > hn.

  Для підтримка такого стану необхідна висока швидкість накачування, що заповнює спад електронно-діркових пар унаслідок випромінювальних переходів. Завдяки цим вимушеним переходам потік випромінювання наростає ( мал. 1 , би), тобто реалізується оптичне посилення.

  В П. л. застосовують наступні методи накачування: 1) інжекція носіїв струму через р—n- перехід (див. Електронно-дірковий перехід ), гетероперехід або контакт метал — напівпровідник (інжекційні лазери); 2) накачування пучком швидких електронів; 3) оптичне накачування; 4), накачування шляхом пробою в електричному полі. Найбільший розвиток отримали П. л. перших двох типів.

  Інжекційні лазери . Лазер на р—n- переході є напівпровідниковим діодом, в якого дві плоскопаралельні поверхні, перпендикулярні р—n -переходу ( мал. 2 ), утворюють оптичний резонатор (коефіцієнт віддзеркалення від граней кристала ~20—40%). Інверсія населенностей досягається при великій щільності прямого струму через діод (поріг генерації відповідає струму ~1 кА/см ² , а при зниженій температурі ~ 10 ² A/см2, мал. 3 ). Для здобуття досить інтенсивної інжекції застосовують сильно леговані напівпровідники.

  Інжекційні лазери на гетероперехіді (з'явилися в 1968) є, наприклад, двосторонніми гетероструктурами ( мал. 4 ). Активний шар (Gaas) поміщений між двома напівпровідниковими гетероперехідами, один з яких (типа р—n ) служить для інжекції електронів, а другий (типа р—р ) відображає інжектірованниє електрони, перешкоджаючи їх дифузійному розтіканню з активного шару (електронне обмеження). При однаковому струмі накачування в активному шарі гетероструктури досягається велика концентрація електронно-діркових пар і, отже, більше оптичне посилення, чим в П. л. На р—n -переходах. Інша перевага гетероструктури полягає в тому, що утворений активним шаром діелектричний хвилевід утримує випромінювання, що поширюється уздовж структури, в межах активного шару (оптичне обмеження), завдяки чому оптичне посилення використовується найефективніше. Для П. л. на гетероперехіді необхідна щільність струму при Т = 300 До більш ніж в 10 разів нижче, ніж в П. л. на р—n -переходе, що дозволяє здійснити безперервний режим генерації при температурі до 350 До.

  П. л. інжекційного типа ( мал. 5 ) працюють в імпульсному режимі з вихідною потужністю до 100 Вт і в безперервному режимі з потужністю більше 10 Вт (Gaas) в ближньої інфрачервоної (ГИК) області (l = 850 нм ) і близько 10 мвт (Pb _x Sn _1-х Te) в середній ГИК області (l = 10 мкм ) . Недолік інжекційних лазерів — слабка спрямованість випромінювання, обумовлена малими розмірами випромінюючої області (велика дифракційна расходімость), і відносно широкий спектр генерації в порівнянні з газовими лазерами.

  П. л. з електронним накачуванням. При бомбардуванні напівпровідника швидкими електронами з енергією W ~ 10 ³ —10 ⁶ ев в кристалі народжуються електронно-діркові пари; кількість пар, що створюється одним електроном ~ W /3d E . Цей спосіб застосовний до напівпровідників з будь-якою шириною забороненої зони. Вихідна потужність П. л. досягає 10 ⁶ Вт, що пояснюється можливістю накачування великого об'єму напівпровідника ( мал. 6 ). П. л. з електронним накачуванням містить електронний прожектор, що фокусує систему і напівпровідниковий кристал у формі оптичного резонатора, поміщені у вакуумну колбу ( мал. 7 ). Технічна гідність П. л. з електронним накачуванням — можливість швидкого переміщення (сканування) електронного пучка по кристалу що дає додатковий спосіб управління випромінюванням. Т. до. помітна частина енергії електронного пучка витрачається на розігрівання грат кристала, то ккд(коефіцієнт корисної дії) обмежений (~ ¹ / ₃ ); на кожну електронно-діркову пару витрачається енергія 3d E , а випускається фотон з енергією ~D E

  Напівпровідникові лазерні матеріали. В П. л. використовуються головним образом бінарні з'єднання типа А ³ В ⁵ , А ² В ⁶ , А ⁴ В ⁶ і їх суміші — тверді розчини (див. таблиці.). Всі вони — прямозонниє напівпровідники, в яких міжзонна випромінювальна рекомбінація може відбуватися без участі фононів або ін. електронів і тому має найбільшу вірогідність серед рекомбінаційних процесів. Окрім перерахованих в таблиці. речовин, є ще деяка кількість перспективних, але мало вивчених матеріалів, придатних для П. л., наприклад ін. тверді розчини. У твердих розчинах величина D E залежить від хімічного складу, завдяки чому можна виготовити П. л. на будь-яку довжину хвилі від 0,32 до 32 мкм.

  Вживання П. л.: 1) оптична зв'язок (портативний оптичний телефон, багатоканальні стаціонарні лінії зв'язку); 2) оптична локація і спеціальна автоматика (дальнометрія, висотометрія, автоматичне стеження і т.д.); 3) оптоелектроніка (випромінювач в оптроні, логічні схеми, адресні пристрої, голографічні системи пам'яті, див.(дивися) Голографія ), 4) техніка спеціального освітлення (швидкісна фотографія, оптичне накачування ін. лазерів і ін.); 5) виявлення забруднень і домішок в різних середовищах; 6) лазерне проекційне телебачення ( мал. 8 ).

Напівпровідникові лазери (Е — накачування електронним пучком; Про — оптичне накачування; І — інжекційні лазери; П — накачування пробоєм в електричному полі)

  Історична довідка. Перша робота про можливість використання напівпровідників для створення лазера була опублікована в 1959 Н. Р. Басовим, Би. М. Вулом і Ю. М . Поповим. Вживання р—n -переходов для цих цілей було запропоноване в 1961 Н. Р. Басовим, О. Н. Крохиним, Ю. М. Поповим. П. л. на кристалі Gaas вперше були здійснені в 1962 у лабораторіях Р. Холу, М. І. Нейтена і Н. Холоньяка (США). Їм передувало дослідження випромінювальних властивостей р—n -переходов, що показало, що при великому струмі з'являються ознаки вимушеного випромінювання (Д. Н. Наследов, С. М. Рибкин із співробітниками, СРСР, 1962). У СРСР фундаментальні дослідження, що привели до створення П. л., були удостоєні Ленінської премії в 1964 (Би. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачев, С. М. Рибкин, Ю. М. Попів, А. П. Шотов, Би. Ст Царенков). П. л. з електронним збудженням вперше здійснений в 1964 Н. Р. Басовим, О. Ст Богданкевічем, А. Р. Девятковим. У цьому ж році Н. Р. Басів, А. З. Грасюк і В. А. Катулін повідомили про створення П. л. з оптичним накачуванням. У 1963 Ж. І. Алферов (СРСР) запропонував використовувати гетероструктури для П. л. Вони були створені в 1968 Же. І. Алферовим, Ст М. Андрєєвим, Д. З. Гарбузовим, Ст І. Корольком, Д. Н. Третьяковим, Ст І. Швейкиним, удостоєними в 1972 Ленінській премії за дослідження гетероперехідів і розробку приладів на їх основі.

  Літ.: Басів Н. Р.. Крохин О. Н., Попів Ю. М., Здобуття станів з негативною температурою в р—n-переходах вироджених напівпровідників, «Журнал експериментальної і теоретичної фізики», 1961, т. 40, ст 6; Басів Н. Р., Напівпровідникові квантові генератори, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 85, ст 4; Пілкун М., Інжекційні лазери, «Успіхи фізичних наук», 1969 т. 98, ст 2; Елісєєв П. Р., Інжекційні лазери на гетероперехідах, «Квантова електроніка», 1972 № 6 (12); Басів Н. Р., Никітін Ст Ст, Семенов А. С., Динаміка випромінювання Інжекційних напівпровідникових лазерів, «Успіхи фізичних наук», 1969, т. 97, ст 4.

  П. Р. Елісєєв, Ю. М. Попів.

Мал. 8. Схема проекційного лазерного телевізора: 1 — електронна гармата; 2 — фокусуюча і відхиляюча система; 3 — напівпровідниковий кристал — резонатор; 4 — об'єктив; 5 — екран.

Мал. 6. Схематичне зображення напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням: а — поперечною, би — подовжньою.

Мал. 7. Напівпровідниковий лазер з електронним накачуванням у відпаяній вакуумній трубці.

Мал. 2. Інжекційний лазер на р-n-переході.

Мал. 3. Схема енергетичних зон в р-n-переході: а — за відсутності струму; б — при сильному прямому струмі; носії дифундують в області, прилеглі до переходу, утворюючи з основними носіями надлишкові електронно-діркові пари.

Мал. 4. а — лазер на гетероперехіді (двостороння гетероструктура), би — його енергетична схема.

Мал. 1. Енергетичні схеми: а — накачування і випромінювальної рекомбінації в напівпровіднику; б — оптичного посилення за наявності інверсії населенностей станів поблизу країв зон — дна Е _з зони провідності і стелі Е _n валентної зони; DЕ — ширина забороненої зони,  і  — квазірівні Фермі для електронів провідності і дірок.

Мал. 5. Зразки інжекційних лазерів.