Принцип работы и конструкции полупроводниковых лазеров.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА»

физический факультет

кафедра физики низких температур и сверхпроводимости

ВЛИЯНИЕ ОДНООСНОГО СЖАТИЯ
НА ПОЛЯРИЗАЦИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ

Выпускная работа
на степень бакалавра.

Cтудент 4 курса

Нескородов А.В.

Научные руководители:

доктор физ.-мат. наук

Минина Н.Я.

доктор физ.-мат. наук

Богданов Е.В.

Допущен к защите

«__» июня 2013г.

Зав. Кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости

Профессор                            Васильев А.Н.

Москва-2013 г.

Оглавление

Введение……………………………………………………………………..............3

1. Полупроводниковые лазеры…………………………………………...............4

1.1 Принцип работы и конструкции полупроводниковых лазеров…………………….….4

1.2 Влияние одноосного сжатия на излучение полупроводниковых лазеров на основе p_AlGaAs/GaAsP/n-AlGaAs …………………………………………………………………….….8

2 Методика расчёта………………………………………………………………………….17

2.1 Исследуемая гетероструктура………………………………………………………...17

2.2 Особенности используемой программы……………………………………………..18

2.3Порядок расчёта………………………………………………………………………..21

3 Результаты расчёта и их обсуждение.........................................................................26

Выводы...……………………………………………………………………………………......33

Список используемой литературы………………… …………………………….….35

Введение.

С целью проверки возможности управления спектром излучения лазерных диодов с помощью одноосных деформаций в последнее время в нашей лаборатории были проведены исследования влияния одноосного сжатия на электролюминесценцию гетероструктур с встроенной квантовой ямой GaAs_yP_1-y. Основное внимание уделялось изучению смещения длины волны излучения и его интенсивности при сжатии в различных кристаллографических направлениях, определению барических коэффициентов, проблеме деградации излучающего элемента при многократных циклах нагрузки.

Спектры электролюминесценции изучались при температуре Т = 77 К, токах через структуры до 30 мА и нагрузках до Р = 5 кбар вдоль направлений [1-10] и [110] [1, 2, new1, new2]. Согласно этим данным, независимо от направления сжатия под нагрузкой наблюдалось существенное, до 100% и более, увеличение интенсивности электролюминесценции, а максимум излучения, наблюдаемый вблизи 753 нм при P = 0 и T = 77 K, смещался более коротких длин волн. Сдвиг максимума был полностью обратим и соответствовал росту энергии фотонов примерно на 20 - 25 мэВ при P = 4 кбар, что, как было показано расчетами [1, 2], связано с увеличением энергетической щели в квантовой яме GaAs_0.84P_0.16 под нагрузкой.

       Вопрос о механизме роста интенсивности электролюминесценции был решен позднее в работах [new1, new2], где также было показано, что при одноосном сжатии должна существенно меняться поляризация излучения. Учитывая важность управления поляризацией излучения для спектроскопии, представляло интерес исследовать насколько эффективно можно воздействовать на поляризацию и другие параметры излучения в этих структурах, если осуществлять сжатие вдоль других кристаллографических направлений, чему и посвящена настоящая работа.

 
1. Полупроводниковые лазеры.

Принцип работы и конструкции полупроводниковых лазеров.

Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через него электрического тока. Механизм генерации стимулированного когерентного излучения, или лазерный эффект, был разработан для газовых лазеров и хорошо теоретически описан, используя представление об электронных уровнях в атомных системах.

Рассмотрим атомы, характеризующиеся наличием двух энергетических уровней E₁ и Е₂, один из которых E₁ представляет основное, а другой Е₂ - возбужденное состояние (рис.1).

Рис. 1. Схема электронных переходов в двухуровневом атоме (системе).

Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой ν₁₂, определяемой из соотношения hν₁₂=E₂-E₁, где h - постоянная Планка. При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hν₁₂. Атом в состоянии E₁ поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние E₂. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией hν₁₂ (спонтанная эмиссия). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией, может изменяться в широком диапазоне (обычно в пределах 10^-9-10^-3 с) в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или непрямая энергетическая щель) и плотность центров рекомбинации. Столкновение фотона, обладающего энергией hν₁₂, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν₁₂ и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение) [3].

Принцип действия и конструктивные особенности полупроводниковых лазеров во многом сходны с полупроводниковыми светодиодами. Инверсная населенность, необходимая для стимулированного когерентного излучения, формируется путем инжекции через прямосмещенный p-n переход. Резонатор типа Фабри-Перо, необходимый для усиления когерентного излучения формируется путем шлифовки граней кристалла. При малых плотностях тока (низкий уровень инжекции) высока вероятность спонтанного излучения и спектральная линия достаточно широка. При высоких плотностях тока (высокий уровень инжекции) вероятность стимулированного излучения возрастает как по отношению к вероятности спонтанного излучения, так и по отношению к вероятности поглощения, и на спектральной характеристике появляется узкая линяя когерентного излучения. Значение тока, при котором появляется линия когерентного излучения, называют пороговым током [4].

Предложение конструкции полупроводниковых лазеров на р-n-переходах, экспериментальное наблюдение эффективной излучательной рекомбинации в р-n-структуре на основе GaAs с возможностью стимулированного излуче_ния и создание лазеров и светоизлучающих диодов (СИД) на р-п-переходах были теми зернами, из которых начала расти полупроводниковая оптоэлектроника. Однако лазеры были неэффективными из-за высо_ких оптических и электрических потерь. Пороговые токи были очень высоки, и для получения генерации требова_лись низкие температуры.

Следующий важный шаг был сделан сразу же после создания лазеров на р-n-переходах, когда был реализован лазер на двойной гетероструктуре. Было предложено использовать двойные гетеростуктуры для пространственного ограничения носителей в активной области, а так же то, что "с помощью пары гетеро-переходных инжекторов лазерная генерация может быть осуществлена во многих непрямозонных полупроводни_ках и улучшена в прямозонных". На (рис. 2а) изображен лазер на основе такого двойного гетероперехода, который состоит из p- и n-областей полупроводника с широкой запрещенной зоной (широкозонного полупроводника), между которыми расположен тонкий слой полупроводника с узкой зоной (узкозонный полупроводник).

Благодаря наличию в двойных гетероструктурах пространственного ограничения для носителей, лазеры на их основе по существу стали прямыми предшественниками структур с кванто_выми ямами, в которых средний узкозонный слой имеет толщину порядка нескольких сотен ангстрем, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффектов размерного квантования. Однако лишь с развитием новых методов выращивания гетероструктур стала возможной реализация высококачественных двойных гетероструктур со сверхтонкими слоями. Наиболее сложные лазерные структуры с квантовыми ямами соединили в себе одиночную квантовую яму (КЯ) и короткопериодные сверхрешетки (КПСР). На основе этих структур удалось создать лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Стало понятно, что в сверхрешетках с напряженными слоями деформация решетки является дополнительной степенью свободы и, варьируя толщины и составы слоев, можно изменять непрерывно и независимо друг от друга такие фундаментальные пара_метры, как ширина запрещенной зоны, постоянная решетки и т.д. Пример такой лазерной структуры изображен на (рис. 3). Используя КПСР, удалось не только достичь желаемого профиля показателя преломления в волноводной области и создать барьер движению дислокаций в активную область, но также получить возможность выращивать различные части структуры при существенно различных температуpax. Самое низкое значение пороговой плотности тока в таком инжекционном лазере 40 А/см² [5]. Это служит хорошей демонстрацией эффективного применения квантовых ям и сверхрешеток в электронных приборах.

Принципиальное преимущество применения квантово-размерных гетероструктур для лазеров является след_ствием существенного возрастания плотности состояний при уменьшении размерности электронного газа (рис. 4). Поэтому дальнейший шаг был сделан в сторону получения лазера со структурой более низкой размерности, так называемых лазеров на квантовых точках (КТ). С момента первой реализации лазеров на КТ [6] стало сразу ясно, что достигаемая современными технологиями однородность КТ по размеру вполне достаточна для обеспечения хорошей работы лазера. Но также понятно, что основное препятствие для работы КТГС-лазера при комнатной и высокой температурах связано с термически индуциро_ванным выбросом носителей из квантовых точек. Чтобы улучшить работу лазера, были разработаны различные методы: (1) увеличение объемной плотности КТ за счет увеличения количества слоев, содержащих массивы КТ; (2) вставка КТ в КЯ; (3) использование более широкозонного полупроводника для матрицы. В результате были получены КТГС-лазеры, многие параметры которых лучше, чем у КЯГС-лазеров, сделанных на том же материале. Так, например, был достигнут мировой рекорд плотности порогового тока в 13 А/см²,что  в 3-4 раза меньше, чем лучшие значения для лазера на квантовых ямах [7].

В полупроводниковых лазерах используются главным образом бинарные соединения типа А³В⁵, А²В⁶, А⁴В⁶ и их тройные и четверные твёрдые растворы. Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или других электронов и поэтому имеет особенно высокую вероятность. В твёрдых растворах величина прямой энергетической щели зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить полупроводниковый лазер на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм [8].