ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллич. решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л.- малые размеры и компактность (объём кристалла ~ 10^-6 - 10^-2см³). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 10⁴ см^-1 (см. Усиления оптического показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрич. энергии в энергию когерентного излучения (до 30-50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны X, излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, к-рая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучат. актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в нек-рых полупроводниках (напр., GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить к.-л. способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрич. полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люми-несцирующего кристалла - состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещённой зоны ДЕ полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны Х~~hc/ДЕ, где h - Планка постоянная, с-скорость света.

Рис. 1, Энергетические схемы: а - накачки н излучательной рекомбинации в полупроводнике; б - оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краёв зон - дна Е_с зоны проводимости и потолка Еv валентной зоны; ДЕ - ширина запрещённой зоны, Е^э_f и Е^д_f - квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок.

Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Е_с заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Е_v. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2 Если Е^э_fи Е^д_f - квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hv (где v - частота излучения) выражается формулой:

Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

В П. л. применяют след. методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р-n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл - полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптич. накачка; 4) накачка путём пробоя в электрич. поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

Инжекционные лазеры. Лазер на р-п-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у к-рого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-я-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэфф. отражения от граней кристалла ~20-40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1кА/см², а при пониженной температуре ~ 10²А/см², рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Рис. 2. Инжекционный лазер на р-п-переходе.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, напр., двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из к-рых (типа р-п) 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

оптич. усиление, чем в П. л. на р - "-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрич. волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптич. ограничен и е), благодаря чему оптич. усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т - 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р-n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при темп-ре до 350 К.

Рис. 3. Схема энергетических зон в р-n-переходе: а - при отсутствии тока; б -при сильном прямом токе; носители диффундируют в области, прилегающие к переходу, образуя с основными носителями избыточные электронно-дырочные пары.

Рис. 4. а - лазер на гетеропереходе (двусторонняя гетероструктура), б - его энергетическая схема.

Рис. 5. Образцы инжекционных лазеров.

П. л. инжекционного типа (рис. 5) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (X = 850 нм) и ок. 10 мет (Pb_xSn_1-xTe) в средней ИК области (X = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров -слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

П. л. с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W~10³-10⁶ эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3ДЕ. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещённой зоны. Выходная мощность П. л. достигает 10⁶вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6). П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптич. резонатора, помещённые в вакуумную колбу (рис. 7). Технич. достоинство П. л. с электронной накачкой-возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнит, способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~1/3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия ЗДЕ, а испускается фотон с энергией ~ДЕ.

Полупроводниковые лазерные материалы. В П. л. используются гл. обр. бинарные соединения типа А³В⁵, А²В⁶, А⁴В⁶ и их смеси - твёрдые растворы (см. табл.). Все они - прямозонные полупроводники, в к-рых межзонная излучатель-ная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё нек-рое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., напр. др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина ДЕ зависит от хим. состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

Применение П. л.: 1) оптическая связь (портативный оптич. телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и спец. автоматика (дальнеметрия, высотометрия, ав-томатич. слежение и т. д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логич. схемы, адресные устройства, голографич. системы памяти, см. Голография), 4) техника спец. освещения (скоростная фотография, оптич. накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8).

Рис. 6. Схематическое изображение полупроводниковых лазеров с электронной накачкой; а - поперечной, б - продольной.

Рис. 7. Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке.

Рис. 8. Схема проекционного лазерного телевизора: 1 - электронная пушка; 2 - фокусирующая и отклоняющая система; 3 - полупроводниковый кристалл - резонатор; 4- объектив; 5 -экран.

Полупроводниковые лазеры (Э - накачка электронным пучком; О - оптическая накачка; И - инжекционные лазеры; П - накачка пробоем в электрическом поле)

Полупроводник

Длина волны излучения, мкм

Максимальная рабочая температура, К

Способ накачки

ZnS

0,32

77

Э

ZnO

0,37

77

Э

Zn_1-xCd_xS

0,32-0,49

77

Э

ZnSe

0,46

77

Э

CdS

0,49-0,53

300

Э, О, П

ZnTe

0,53

77

Э

CdS_1-xSe_x

0,49-0,68

77

Э, О

CdSe

0,68-0,69

77

Э, О

CdTe

0,79

77

Э

GaSe

0,59

77

Э, О

GaAs_1-xP_x

0,62-0,9

300

Э, О, И

Al_xGa_1-xAs

0,62-0,9

300

О, И

In_xGa_1-xP_x

0,60-0,91

77

О, И

GaAs

0,83-0,90

450

Э, О, И, П

InP

0,90-0,91

77

О, И, П

In_xGa_1-xAs

0,85-3,1

300

О, И

In_xP_1-xAs_x

0,90-3,1

77

О, И

InAs

3,1-3,2

77

Э, О, И

InSb

5,1-5,3

100

Э, О, И

PbS

3,9-4,3

100

Э, И

PbS_1-xSe_x

3,9-8,5

77

О, И

PbTe

6,4-6,5

100

Э, О, И

PbSe

8,4-8,5

100

Э, О, И

Pb_xSn_1-xTe

6,4-31,8

100

Э, О, И

Историческая справка. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р - n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р - и-перехо-дов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рывкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Ро-гачёв, С. М. Рывкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным возбуждением впервые осуществлён в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. 3. Гра-сюк и В. А. Катулин сообщили о создании П. л. с оптич. накачкой. В 1963 Ж. И. Алфёров (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алфёровым, В. М. Андреевым, Д. 3. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

Лит.: Басов Н. Г., Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р-"-переходах вырожденных полупроводников, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1961, т. 40, в. 6; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, "Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4; Пилкун М., Инжекционные лазеры, "Успехи физических наук", 1969, т. 98, в. 2; Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, "Квантовая электроника", 1972, № 6 (12); Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения инжекционных полупроводниковых лазеров, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 4. Я. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.