ЛАЗЕРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА Российский патент 1994 года по МПК H01S3/18 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к источникам когерентного оптического излучения и может найти применение в волоконно-оптических линиях связи и при решении задач охраны окружающей среды.

Известна лазерная гетероструктура для длинноволнового полупроводникового лазера ( λ = 4 мкм) с p-n-переходом [1], выполненная из однородного по химическому составу полупроводника, имеющего два слоя с разным типом легирования каждого из них.

Известна также полупроводниковая лазерная гетероструктура на основе узкозонных твердых растворов A^IIIB^V [2], выбранная за прототип, включающая слой узкозонного полупроводника (активная область), расположенного между двумя слоями широкозонного полупроводника - эмиттерами с омическими контактами (зонная диаграмма представлена на фиг.3). Недостатком таких конструкций [1, 2] является невозможность получения генерации света при высоких температурах (Т > 150 К), в частности при комнатной температуре. Это обусловлено преобладанием при высоких температурах процессов Оже-рекомбинации неравновесных носителей над излучательной рекомбинацией. В результате Оже-процесса рекомбинации неравновесные носители выбрасываются высоко в зону по энергии - выше высоты барьера широкозонного слоя и выбывают из активности области (этот процесс схематично изображен на фиг.3), что, в свою очередь, приводит к понижению квазиуровня Ферми неравновесных носителей в зоне и, следовательно, к разрушению инверсного распределения носителей, или, что то же самое, к исчезновению генерации. В данном случае речь идет о так называемом СНСС-процессе: это процесс рекомбинации электрона из зоны проводимости с дыркой из валентной зоны с возбуждением второго электрона зоны проводимости по энергии на величину εα E_g (см. фиг.3).

Для того чтобы инверсное распределение неравновесных носителей не нарушалось с ростом тока инжекции и температуры, необходимо удержать неравновесные носители, участвовавшие в акте Оже-рекомбинации в пределах узкозонного слоя (активной области). Выполнение этого условия позволяет повысить рабочую температуру лазера. Целью настоящего изобретения является возможность работы при комнатной температуре. Указанная цель достигается тем, что в известной лазерной гетероструктуре на основе твердых растворов узкозонных соединений A^IIIB^V, включающей активную область, выполненную из узкозонного полупроводника, расположенную между двумя эмиттерами с омическими контактами, согласно формуле изобретения, указанные эмиттеры выполнены из материала с шириной запрещенной зоны E_gне менее, чем в два раза больше, чем ширина запрещенной зоны E_gматериала активной области.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Поскольку высота гетеробарьера Δ Е_с >Е_ga, то электроны, участвовавшие в процессе Оже-рекомбинации и имеющие энергию, равную Е_ga, не могут покинуть активную область и остаются в ее пределах (см. фиг.2). В таких условиях отсутствует выброс носителей из активной области в область широкозонного слоя (пассивную); следовательно квазиуровень Ферми электронов при данной температуре и плотности тока инжекции не меняется. При дальнейшем увеличении плотности тока инжекции и температуры, что означает увеличение плотности неравновесных носителей, скорость Оже-рекомбинации возрастает (формула (1)), но при этом расстояние между квазиуровнями Ферми электронов F_n и дырок F_p не меняется, т.к. неравновесные носители, инжектируемые током, не покидают активную область, а условие инверсии не нарушается, не нарушаются и условия для генерации.

СННС Оже-процесс подробно изучался в работе при исследовании температурной зависимости пороговой плотности тока. Для скорости Оже-рекомбинации получено выражение
G =
exp exp F_1/2 F_3/2 , (1) где m_c - эффективная масса электрона, κ - диэлектрическая проницаемость. Δ - величина спин-орбитального расщепления, F_p - квазиуровень Ферми дырок, F_1/2, F_3/2 - интегралы Ферми; ε_3t - энергия, определяемая законом сохранения энергии для данного процесса: минимальное значение ее равно E_ga.

Таким образом, в отличие от прототипа, у которого при высоких температурах Т >150 К исчезала генерация света, в предлагаемой нами структуре с ростом температуры растет интенсивность излучения пропорционально плотности тока инжекции.

Существенным признаком заявляемой конструкции является то, что эмиттеры выполнены из материала с шириной запрещенной зоны не менее, чем в два раза больше ширины запрещенной зоны активной области. Наличие высоких барьеров на границе между активной областью и эмиттерами приводит к локализации неравновесных носителей в активной области. Вследствие этого при повышении температуры и тока накачки увеличивается концентрация неравновесных носителей в активной области, а это приводит к росту интенсивности излучения. Максимальная энергия, которую приобретает электрон в результате процесса Оже-рекомбинации равна ширине запрещенной зоны E_gd узкозонного материала плюс кинетическая энергия электрона до рекомбинации. Чтобы электроны, участвующие в акте Оже-рекомбинации не покидали активную область необходимо чтобы высота гетеробарьера между активной областью и эмиттером Δ Е_с была больше чем E_gd, тогда электроны с энергией ε = Е_ga, отражаясь от барьера, релаксируют по энергии, оставаясь в пределах активной области, тем самым сохраняя положение квазиуровней Ферми. Если же Δ Е_с < < Е_ga, то электрон с энергией ε = E_ga > Δ E_c легко выбрасывается через гетеробарьер в эмиттер и покидает активную область, при этом квазиуровень Ферми понижается, нарушая тем самым условие инверсии населенности. Следовательно, критическое значение Δ Е_с равно
Δ Е_с = E_g - E_ga = E_ga. (2)
Отсюда следует, что минимальное значение ширины запрещенной зоны эмиттера E_g равно
E_gmin = 2E_ga (3) (Здесь мы предположили, что разрыв Δ Е_v равен нулю). Если Δ Е_v отличен от нуля, то
E_gmin = 2E_ga + Δ E_v
Каждый из существенных признаков необходим, а в совокупности они достаточны для достижения поставленной цели.

Покажем, что заявляемая совокупность признаков нова по сравнению с решениями, известными в науке и технике.

Известен длинноволновый ДГС лазер [2]. Такой лазер представляет собой ДГС структуру, содержащую активную область, расположенную между двумя широкозонными слоями. В данной структуре ширина запрещенной зоны слоя широкозонного полупроводника лишь немного превышает ширину запрещенной зоны активной области, так что Δ Е_с < E_ga. При температуре Т >100 К, как следует из выражения для скорости Оже-рекомбинации, указанная скорость преобладает над скоростью излучательной рекомбинации. Дальнейшее повышение температуры приводит к экспоненциальному росту скорости Оже-рекомбинации; в результате чего неравновесные носители выбывают из активной области, т.к. их энергия Е ∞ Е_ga > Δ E_c, что и приводит к понижению квазиуровня Ферми; при температурах порядка 150 К выброс носителей таков, что нарушается условие инверсии и, следовательно, пропадает генерация света.

Для обеспечения возможности работы лазера при температурах выше 150 К необходимо в соответствии с формулой изобретения увеличить высоту барьера между активной областью и эмиттерами на величину, большую чем E_ga, т.е. необходимо условие Δ Е_с > Е_ga.

Только вся совокупность признаков в результате их взаимного влияния позволила выявить новый физический механизм, состоящий в ограничении выброса неравновесных носителей из активной области в широкозонную эмиттерную область за счет повышения высоты барьера Δ Е_с. Такое увеличение высоты барьера приводит к положительному эффекту - возможности работы лазера при температурах, близких к комнатной.

Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "Существенные отличия".

На фиг.1 приведена схематичная конструкция предлагаемой лазерной гетероструктуры; на фиг.2 - зонная диаграмма лазерной гетероструктуры; на фиг.3 - зонная диаграмма прототипа. Лазерная гетероструктура содержит активную область 1, широкозонные эмиттеры 2 и контакты к ним 3.

Устройство работает следующим образом.

При пропускании тока в прямом направлении происходит инжекция носителей в активную область 1, где в результате их рекомбинации возникает спонтанное оптическое излучение. При достижении инверсной заселенности носителей возникает обратная связь, а следовательно и генерация света. При повышении рабочей температуры лазера необходимо повысить плотность тока инжекции, чтобы поддержать необходимое для инверсии расстояние между квазиуровнями Ферми электронов и дырок. С ростом температуры растет скорость Оже-рекомбинации, однако неравновесные носители остаются в пределах активной области, не нарушая условие генерации. Скорость излучательной рекомбинации также растет с ростом температуры, а интенсивность излучения растет пропорционально плотности тока инжекции.

Пример конкретной реализации лазерной гетероструктуры n-InAs_0,81Sb_0,13P_0,06(InAs)p-InAs_0,81Sb_0,13P_0,06.

Лазерная гетероструктура выполнена в виде многослойной структуры, изготовленной методом молекулярно-лучевой эпитаксии и состоит из подложки полупроводника InAs толщиной 4 мкм, широкозонного эмиттера из n-InAs_0,81Sb_0,13P_0,06 толщиной 0,6 мкм, узкозонного слоя - активной области - из InAs толщиной 0,2 мкм и широкозонного эмиттера из p-InAs_0,81Sb_0,13P_0,06 толщиной 0,6 мкм. Широкозонные эмиттеры (см. фиг.1) 2, омические контакты к ним 3 образуют с узкозонной активной областью 1 лазерную гетероструктуру, рассмотренную выше. При пропускании тока накачки через гетеролазер происходит инжекция носителей в узкозонный активный слой 1, где в результате их рекомбинации возникает спонтанное, а при достижении порога генерации, вынужденное излучение. Для твердого раствора InAs_1-x-ySb_xP_y выбран такой состав х и у, (х = 0,13, у = 0,06), который обеспечивает в соответствии с формулой (2), приведенной выше, необходимый скачок ΔЕ_с = Е_ga на границе узкозонной активной области и широкозонных эмиттеров. Так, для выбранного состава твердого раствора ширина запрещенной зоны широкозонного эмиттера равна 0,72 eV, т.е. в два раза больше ширины запрещенной зоны активной области в соответствии с формулой (3), что и приводит к тому, что электроны с высокими энергиями, образующимися в результате СНСС Оже-процесса, доминирующего над другими процессами безызлучательной рекомбинации в широком интервале температур, в частности при комнатной температуре и выше, релаксируя по энергии, локализуются в пределах активной области, тем самым сохраняя положение квазиуровней Ферми необходимое для выполнения условия порога генерации когерентного излучения для рассматриваемой лазерной гетероструктуры. Это делает возможным работу такой гетероструктуры не только при низких температурах, но и при высоких вплоть до комнатной.

Таким образом, по сравнению с лазером-прототипом предлагаемая конструкция лазера на основе двойной гетероструктуры n-InAs_0,81Sb_0,13P_0,06 | InAs| p-InAs_0,81Sb_0,13P_0,06 позволяет повысить рабочую температуру до комнатной.

Использование: в волоконно-оптических линиях связи и при решении задач, связанных с охраной окружающей среды. Сущность изобретения: в гетероструктуре на основе твердых растворов узкозонных соединений A^IIIB^V, состоящей из активной области, расположенной между двумя эмиттерами с омическими контактами к ним, эмиттеры выполнены из материала, ширина запрещенной области которого не менее чем в два раза больше ширины запрещенной зоны активной области. 3 ил.

ЛАЗЕРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА на основе твердых растворов узкозонных соединений A^III B^v, состоящая из активной области, расположенной между двумя эмиттерами с омическими контактами, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности работы при комнатной температуре, эмиттеры выполнены из материала, ширина запрещенной зоны которого не менее чем в два раза больше, чем ширина запрещенной зоны материала активной области.