Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В Полупроводниковый лазер, в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело). В Полупроводниковый лазер возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность Полупроводниковый лазер — малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6—10^-2см³). В Полупроводниковый лазер 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 Полупроводниковый лазер являются: высокая эффективность преобразования электрической 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 l 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, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

  Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим 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 люминесцирующего кристалла — состояние с инверсией населённостей.

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

 и — квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок. Полупроводниковый лазер." alt="Рис. 1. Энергетические схемы: а — накачки и излучательной рекомбинации в полупроводнике; б — оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краев зон — дна Е_с зоны проводимости и потолка Е_n валентной зоны; DЕ — ширина запрещенной зоны,  и — квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок."

Рис. 1. Энергетические схемы: а — накачки и излучательной рекомбинации в полупроводнике; б — оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краев зон — дна Е_с зоны проводимости и потолка Е_n валентной зоны; DЕ — ширина запрещенной зоны,  и — 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 E_c заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка E_u. 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  и  — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой: — > hn.

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 Полупроводниковый лазер применяют следующие 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) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили Полупроводниковый лазер первых двух типов.

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

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

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.

  Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р—n) 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 оптическое усиление, чем в Полупроводниковый лазер На р—n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для Полупроводниковый лазер на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у Полупроводниковый лазер на р—n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

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

  Полупроводниковый лазер 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 (l = 850 нм) и около 10 мвт (Pb_xSn_1-xTe) в средней ИК области (l = 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.

Рис. 5. Образцы инжекционных лазеров.

Полупроводниковый лазер 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/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность Полупроводниковый лазер достигает 10⁶вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6). Полупроводниковый лазер с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7). Техническое достоинство Полупроводниковый лазер с электронной накачкой — возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный 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 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE

Рис. 6. Схематическое изображение полупроводниковых лазеров с электронной накачкой: а — поперечной, б — продольной.

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

Полупроводниковые лазерные материалы. В Полупроводниковый лазер используются главным образом бинарные соединения типа А³В⁵, А²В⁶, А⁴В⁶ и их смеси — твёрдые растворы (см. табл.). Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для Полупроводниковый лазер, например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить Полупроводниковый лазер на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

Применение Полупроводниковый лазер: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8).

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 ZnO Zn1-xCdxS ZnSe CdS ZnTe CdS1-xSex CdSe CdTe	0,32 0,37 0,32—0,49 0,46 0,49—0,53 0,53 0,49—0,68 0,68—0,69 0,79	77 77 77 77 300 77 77 77 77	Э Э Э Э Э, О, П Э Э, О Э, О Э
GaSe GaAs1-xPx AlxGa1-xAs InxGa1-xP GaAs lnP InxGa1-xAs InP1-xAsx InAs InSb	0.59 0,62—0,9 0,62—0,9 0,60—0,91 0,83—0,90 0,90—0,91 0,85—3,1 0,90—3,1 3,1—3,2 5,1—5,3	77 300 300 77 450 77 300 77 77 100	Э, О Э, О, И О, И О, И Э, О, И, П О, И, П О, И О, И Э, О, И Э, О, И
PbS PbS1-xSx PbTe PbSe PbxSn1-xTe	3,9—4,3 3,9—8,5 6,4—6,5 8,4—8,5 6,4—31,8	100 77 100 100 100	Э, И О, И Э, О, И Э, О, И 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. Полупроводниковый лазер 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—n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию Полупроводниковый лазер, были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). Полупроводниковый лазер с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании Полупроводниковый лазер с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для Полупроводниковый лазер Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. 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—n-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.

  П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.