Полупроводниковые инжекционные лазеры

Полупроводниковые материалы, используемые в источниках излучения

Полупроводниковые вещества как излучающие среды в приложении к светодиодам были частично рассмотрены в гл. 16. В этой главе эти вопросы применительно к полупроводниковым лазерам освещаются более подробно. Как уже отмечалось, все полупроводники подразделяются на прямозонные и не прямозонные, в которых соответственно реализуются прямые и непрямые переходы (см. также п. 16.2). Физическая причина их различия определяется законом дисперсии Е = /(р), т. е. зависимостью энергии состояния Е от квазиимпульса р.

В прямозонных полупроводниках (СаЛэ, 1пР, 1п8Ь и др.) максимум функции Е (р) в валентной зоне (ВЗ) и минимум Е (р) в зоне проводимости (311) соответствуют одинаковым р. Достоинство прямозонных полупроводников — большая вероятность излучательного межзонного перехода.

В полупроводниках типа ве, 81, вЮ, ОаР, А1Ав (не прямозонные полупроводники) экстремумы зон смещены, поэтому переходы между ними сопровождаются большим изменением квазиимпульсов, причем последние превышают квазиимпульсы фотонов. По закону сохранения квазиимпульса излучательный переход без участия третьих тел в таких полупроводниках запрещен. В этом случае необходимо участие фононов, воспринимающих изменение квазиимпульса частиц при их межзонном переходе. При «непрямых» переходах излучательная рекомбинация свободных носителей тока, находящихся в энергетических состояниях на краях соответствующих зон, значительно меньше безизлучательной рекомбинации через примеси. Поэтому такие материалы редко используются для создания излучающих приборов.

Помимо упомянутых бинарных соединений в излучающих приборах большую роль играют взаимные растворы родственных соединений, включая и не прямозонные. Если смешиваемые соединения имеют одинаковый тип решетки, то они могут образовывать непрерывный ряд твердых растворов с постоянным изменением ширины запрещенной зоны ДЕ₃. Тогда открывается возможность разработки приборов, которые в совокупности позволяют непрерывно перекрыть широкий диапазон спектра излучения. Простейший тип твердых растворов — трехкомпонентные соединения типа 1пР, ^Аб^, Хп^Са, __хАв (группа А1П—ВУ) и большинство твердых растворов группы АШ—ВУ1 (Сс18_х8е₁__х, гп_хС (1, гиБе^Те, _х и др.). Электрические характеристики таких растворов слабо зависят от степени неупорядоченности кристалла.

Бинарные соединения обычно изготавливаются в виде крупных слитков, большинство твердых многокомпонентных растворов выращивается в виде эпитаксиальных слоев. Для лазеров на основе гетеропереходов, работающих при повышенных температурах, важную роль играют соединения с одинаковыми периодами решетки (изопериодические пары). К ним относятся растворы, образуемые взаимным замещением галлия и алюминия, так как оба этих элемента имеют близкие ковалентные радиусы. В таких растворах, как АЮаАз, АЮаРАв, АЮаЭЬ, период решетки остается почти постоянным при изменении соотношения алюминия и галлия, тогда как ширина запрещенной зоны Е_э значительно изменяется. Многослойные гетероэпитаксиальные структуры на основе изопериодических составов АЮаАз позволили создать эффективные инжекционные лазеры (см. п. 21.2) в диапазоне длин волн 0,62…0,9 мкм.

Новые возможности создания изопериодических пар связаны с четырехкомпонентными твердыми растворами, например, Оа1пРАз. Изопериодичность решетки в них достигается дозированным добавлением к 1пР примесей Оа и Аэ, причем влияние обеих примесей на период решетки взаимно компенсируется.

Одно из основных требований, предъявляемых к материалам для светоизлучающих приборов, — излучение света в видимом участке спектра. Чувствительность человеческого глаза 5^ к различным длинам волн X при постоянной энергии по спектру иллюстрируется кривой (рис. 21.1). Там же нанесены точки, соответствующие длине волны излучения некоторых полупроводниковых соединений.

Рис. 21.1.