Полупроводниковый лазер Советский патент 1992 года по МПК H01S5/00 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при конструировании полупроводниковых лазеров с оысоким КПД из различных полупроводниковых материалов

Известен полупроводниковый лазер ин- жскционного типа, представляющий собой доухэ лектродный приборе p-n-переходом, в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через р-п-переход

Недостаток полупроводникового лазера инжекционного типа заключается в том, что он может быть осуществлен только в ограниченном числе полупроводниковых материалов, которые поддаются легированию обоих типов, что позволяет изготовить гомогенный р-п-переход.

Известен также полупроводниковый лазер с электронным возбуждением, конструктивно выполненный в виде электронно лучевой трубки с экраном-мишенью из выбранного полупроводника. В таком ллзчре инверсия

населенностей в полупроводнике создается при воздействии на него потока электронов высокой энергии (20... 200 кэв) Такие электроны проникают вглубь полупроводника на десятки микрометров, ионизируя на своем пути атомы кристаллической решетки и образуя электронно-дырочные пары, рекомбинация которых обеспечивает работу лазера Лазерная генерация о таком приборе возможна практически на любых прямозонных полупроводниках, в том числе и на таких, в которых не удается изготовить р-п-переход. Недостатком известного лазера с электронной накачкой является высокая энергия первичных электронов, для ускорения которых необходима высоковольтная аппаратура. Другим недостатком лазера с электронной накачкой является низкий (принципиально не выше 30%) КПД, что связано с тем, что электронно-дырочные пары могут быть образованы лишь первичными электронами с энергием большей чем 3 Ед (Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника), а рекомбинируют между собой

(Л

С

о

00 QS

ю ю

Ч

только электроны с энергией вблизи дна зоны проводимости и дырки вблизи потолка валентной зоны. Поэтому не менее двух третей энергии исходного электронного пучка тратится па разогрет кристалла.

Целью изобретение является повышение КПД лазера.

Это достигается тем, чго о предложенном двухзлектродном лазере с находящимися о вакуумной полости сильноточным катодом и анодом из вырожденного полупроводника р-типа уменьшают расстояние между электродами, снижают таким образом напряжение, необходимое для создания п лазере тока, превышающего порог генерации, до величины, меньшей 3 Еа/е (е - заряд электрона). При тяком напряжении электроны не полумают энергии, достаточной для ионизации полупроводника с образованием вторичных электронов и дырок, и непосредственно инжектируются в зону проводимости полупроводника р-типа и, накапливаясь вблизи дна зоны проводимости, совместно с дырками полупроводника р-типа образуют активную область полупроводникового лазера, Благодаря снижению напряжения нижеЗ Еч/е уменьшаются тепловые потери и возрастает КПД лазера. При этом напряжение между катодом и анодом не превышает 3 Eg/е в том случае, если межолсктродное расстояние d выбирают из следующего соотношения

О).

где m и е - масса и заряд электрона, - плотность тока, протекающего через лазер, необходимого для генерации излучения. .Формула (1) получается из хорошо известного закона, связывающего плотность тока, протекающего через диод с напряжением U на его электродах

U

&

d

(2).

На чертеже схематически изображен полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазер содержит сильноточный катод 1, отделенный изоляционной прокладкой 2 от анода, состоящего из металлической подложки 3, на которую нанесено полупроводниковое покрытие, состоящее, о частном случае, из трех слоев, причем активный слой 4 полупроводника р-типа размещен между двумя слоями 5 по- лупроподникоо с большей, чем у полупроводника среднего слоя, шириной

запрещенной зоны. Катод и анод снабжены токоподводами 6 и охлаждаются г илоноси- телем. протекающим по трубам системы 7 охлаждения. Полупроводниковые слои, торцы которых отполированы, вместе с зеркально отражающим покрытием 8 образуют резонатор лазера. Прозрачное окно 9 служит для вывода излучения из устройства. Герметизирующая обмазка 10 обеспе0 чивает сохранение вакуума в межэлектродном злзоре 11.

Конкретно полупроводниковый лазер изготалвивают следующим образом.

При изготовлении анода, предстэвляю5 щего собой металлическую подложку 3. покрытую тонким слоем 4 полупроводника, металлическую подложку полируют по 14 классу, после чего наносят тонкий ( 1 мкм) слой полупроводника, при этом обеспечива0 ют отклонение поверхности анода от идеальной плоскости не превышающее 0,1-0,2 мкм. Торцы анода полируют и на один из них наносят зеркальное покрытие 8. Аналогичная технология используется для обеспече5 ния такой же геометрии поверхности холодного катода с отрицательным электродным средством, который обеспечивает плотность токз до 100 А/см2. На периферии катода 1 наносят кольцевую изоляционную

0 прокладку 2 толщиной 1 мкм, после чего электроды помещают в вакуумную камеру, обез аживают, прижимают друг к другу и герметизируют с помощью обмазки 10. В лазере с мсжэлектродным зазором 2 мкм

5 обеспечивается ток 10 А/см2 при напряжении всего 5 В. При такой плотности тока и толщине активного слоя полупроводника 1 мкм в активном слое создается плотность накачки 10G ватт/см3, что достаточно для

0 генерации излучения.

При выборе межэлектродного промежутка на основании неравенства (1) необходимый для генерации лазерного излучения ток протекает при напряжении между элек5 тродами, не превышающем 3 Ев/е, благодаря чему в предлагаемом лазере возрастает КПД по сравнению с лазером с электронной накачкой.

Формула изобретения

0 Полупроводниковый лазер, содержащий вакуумированную камеру и расположенные в ней катод и анод в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины с нанесенными на ее торцы, перпендикулярные плоскости

5 п/;астины, зеркальными отражающими покрытиями, отличающийся тем. что, с целью повышения КПД, о качестве материала пластины сыбрам вырожденный полупроводник р-типа, а величина зазора U между катодом и а нодом выбрана из соотношения

ГВ17

m

w.

. -Јfl.

e-j

где m и е - масса и заряд электрона. Eg - ширина запрещенной зоны материала полупроводниковой пластины. J - плостность тока, протекающего через лазер, необходимого для генерации лазерного излучения.

2