PL90349B1 - - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest laser pólprzewodnikowy zwlaszcza laser pólprzewodnikowy z pompowaniem elektrycznym, który moze byc wykorzystywany do uzyskiwania promieniowania spójnego. Tego rodzaju zródla promieniowania wykorzystuje sie na przyklad w systemach telekomunikacyjnych, w elektronicznej technice i w róznych dziedzinach techniki optoelektronicznej.

Znane lasery pólprzewodnikowe (wzmacniacze swiatla przez wymuszona emisje promieniowania) wyko¬ nuje sie z pólprzewodnikowych krysztalów o wielowarstwowej strukturze. Warstwy pólprzewodnikowe maja rózne typy przewodnictwa. W zaleznosci od struktury jedna z warstw jest zdolna do indywidualnego promienio¬ wania swiatla, jezeli do ukladu bedzie przylozone napiecie polaryzujace w kierunku przewodzenia. Zwykle warstwa nazywa sie obszarem czynnym lasera. W takim laserze rezonatorem sa powierzchnie pólprzewodniko¬ wego krysztalu, stanowiace rezonator Fabry-Perota.

Zwykle wielowarstwowa strukture uzyskuje sie z krysztalów pólprzewodnikowych o duzej zdolnosci do rekombinacji promieniowania, gdy nastepuje wstrzykiwanie par elektron-dziura. Przykladowo wykorzystuje sie GaAs (arsenek galu) GaP (fosforek galu), InAs (arsenek indu). Aktualnie najwieksze zastosowanie znalazly trójwarstwowe struktury pólprzewodnikowe z heterozlaczami o róznym typie przewodnictwa na przyklad typu p*-p-n lub n+-n-p.

W krysztale o trójwarstwowej strukturze warstwa czynna, to znaczy generujaca promieniowanie swietlne, jest warstwa srodkowa o przewodnictwie typu p lub n. Warstwa ta znajduje sie miedzy dwoma warstwami pólprzewodnikowymi o wzajemnie przeciwnych typach przewodnictwa. Warstwa ta ma zwykle mniejsza szerokosc pasma zabronionego, niz szerokosc pasma zabronionego przylegajacych do niej warstw. Jak juz wspomniano, po przylozeniu do krysztalu w kierunku przewodzenia napiecia polaryzujacego, warstwa czynna generuje promieniowanie swietlne.

Do wzbudzenia takiego lasera konieczne jest uzycie dosyc zlozonego specjalnego urzadzenia sterujacego, zawierajacego pólprzewodnikowe diody, tyrystory i tranzystory. Prowadzi to do zwiekszenia wymiarów urzadzen, w których stosowany jest opisany laser. Ponadto nie moze on byc wykorzystany jako element pamieciowy lub element przelaczajacy, poniewaz trójwarstwowa struktura ma zwykla charakterystyke napiecio- wo-pradowa.t 90349* * Celem wynalazku Jest uzyskanie lasera pólprzewodnikowego, którego czesc charakterystyk! napreciowo-pr- adomj w*a opornosc ujemna. Pozwala to na znaczne uproszczenie ukladu elektrycznego pompowania i na zrrmlejsztroe jego wymiarów. Ponadto laser moze byc wykorzystywany w charakterze elementu pamieciowego kib przelaczajacego w róznych optoelektrycznych ukladachlogicznych. • Cel ten osiagnieto w oparciu o pólprzewodnikowy laser z elektrycznym pompowaniem, zbudowany * frólfjrzewodnikowego krysztalu z heterozlaczami i posiadajacy warstwy o róznym typie przewodnictwa. Jedna z warstw mtjduje sie wewnatrz optycznego rezonatora miedzy dwoma warstwami pólprzewodnikowymi *W*fi£er*7ue przeciwnych typach przewodnictwa. Warstwy te maja szerokosc pasma zabronionego wieksza, niz szerokosc pasma zabronionego zawartej miedzy nimi warstwy, która generuje promieniowanie swietlne, gdy do krysztalu zostanie prjylozone w kierunku przewodzenia napiecie polaryzujace. Wedlug wynalazku krysztal ma .pieciowarstwowa strukture. Zewnetrzne warstwy tej struktury maja wzajemnie przeciwne typy przewodnictwa.

Do jednej z zewnetrznych warstw przylega bezposrednio warstwa generujaca promieniowanie swietlne. Warstwa ta jest oddzielona od drugiej warstwy zewnetrznej dwoma warstwami o przeciwnych typach przewodnictwa, które sa rozlozone w ten sposób, ze warstwa stykajaca sie z wymieniona druga warstwa zewnetrzna ma przeciwny w stosunku do niej typ przewodnictwa Zastosowanie w laserze pólprzewodnikowym krysztalu o pieciowarstwowej strukturze z rozkladem warstw w wyzej podany sposób, zapewnia wystepowanie odcinka charakterystyki napieciowo-pradowej o opor¬ nosci ujemnej. Pozwala to na wykorzystywanie lasera jako elementu pamieciowego lub przelaczajacego oraz pozwala uproscic uklad elektrycznego pompowania w laserze.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia schemat przekroju lasera pólprzewodnikowego wedlug wynalazku, fig. 2 — charakterystyke napieciowo-pra- dowa lasera wedlug wynalazku, fig. 3 — laser wedlug wynalazku polaczony do zródla zasilania.

Przedstawiony na fig. 1 laser z elektrycznym pompowaniem jest wykonany z arsenku galu (GaAs) i ze zwiazku chemicznego AlxGai.xAs. Pólprzewodnikowy krysztal ma piec warstw monokrystalicznych. Warstwy 1 12 sa*wykonane ze stalego roztworu zwiazku chemicznego Alxir2Gai_xi ^As. Wprowadzenie domieszek stopowych do warstw 1 i 2 jest uzaleznione odpowiednio od typów przewodnictwa n i p. Wartosc x«|#2 okreslajaca zawartosc glinu w stalym roztworze moze zmieniac sie od 0 do 0,5. Warstwa 3 jest wykonana na bazie zwiazku AIX3Gai_X3 i ma przewodnictwo typu n. Wartosc x3 moze wahac sie w granicach od 0,05 do 0,5.

Warstwa .4 jest wykonana na bazie AIX4Gai.X4As i ma przewodnictwo typu p. Jezeli warstwa 4 jest czynna warstwa promieniujaca, wtedy szerokosc pasma zabronionego powinna byc mniejsza niz szerokosc pasma ?zabronionego warstw 3 i 5. W dalszej tresci dla wygody warstwe te oznaczono symbolem p0. Wartosc x4 moze wahac sie od 0 do 0,37. Warstwa 5 wykonana jestna bazie zwiazku chemicznego AIX5Ga-|_X5Asf przy czym wartosc X5 moze wahac sje od 0,05 do 0,5. Wybór wartosci x3, xa, x$ jest uzalezniony od spelnienia warunku X3^X5>X4. Gwarantuje to spelnienie wymagania, ze szerokosc pasma zabronionego waq$tw 3 i 5 ma byc wieksza od szerokosci pasma zabronionego warstwy 4. Opisany krysztal pólprzewodnikowy ma pieciowars¬ twowa strukture n-p-n-p0-p|.

W ten sposób wewnetrzne warstwy 1 i 5 krysztalu pólprzewodnikowego maja przeciwne typy przewod¬ nosci. Do jednej z warstw, a mianowicie do warstwy 5, przylega warstwa 4 generujaca promieniowanie swietlne.

Warstwa 4 oddzielona jest od drugiej warstwy zewnetrznej dwoma warstwami 2 i 3 o przeciwnych typach przewodnictwa. Warstwa 2 stykajaca sie z zewnetrzna warstwa 1 m» przeciwny w stosunku do niej typ przewodnictwa.

Warstwy 1 i 2,2 i 3,3 i 4,4 i 5 tworza odpowiednie heterozlacza 6, 7, 8, 9.

Wyzej opisana struktura pólprzewodnikowego krysztalu moze byc wykonana w jednym cyklu technolo¬ gicznym przez kolejne osadzanie monokrystalicznych warstw 1, 2, 3, 4 i 5.na podlozu z monokrystalicznego arsenku galu metoda epitaksji z fazy cieklej lub gazowej. Wyboru podloza dokonuje sie w ten sposób, azeby plaszczyzna, na której rozpoczyna sie proces osadzania warstw, miala orientacje [111 ], [111 ] lub [100].

Do wyprowadzenia promienia swietlnego na zewnatrz warstwy 4 i zapewnienia spójnosci promienia swietlnego sluzy rezonator Fabry-Perota.

"Powierzchnie odbijajace w takim rezonatorze sa zwierciadlanymi powierzchniami 10 i 11 w krysztale pólprzewodnikowym, prostopadlymi do osi rozchodzenia sie indywidualnego promieniowania swietlnego wzdluz warstwy 4. Powierzchnie 10 i 11 pokrywaja sie z plaszczyzna krystalograficzna prostopadla do plaszczyzny orientacji podloza, na którym nastepuje osadzanie sie monokrystalicznych warstw 1 -r 5. Do warstw 1 i 5 sa dolaczone w dowolny sposób styki omowe, sluzace do przylozenia do krysztalu napiecia polaryzujacego w kierunku przewodzenia o znakach „—" i „+", jak podano na fig. 1.

Zasada pracy opisanego wyzej pólprzewodnikowego lasera jest nastepujaca. Po przylozeniu do krysztalu90349 3 ^przewodnikowego lasera napiecia polaryzujacego w kierunku przewodzenia heterozlacza emiterowe p-n 6,8 i & staja sie przewodzacymi. Srodkowe zlacze 7, zwane zlaczem kolektorowym jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. Przy okreslonej wartosci napiecia polaryzujacego, zwanego napieciem przelaczajacym, wstrzykiwa¬ nie nosników pradu do warstw 2 i 3 prowadzi do gwaltownego zmniejszenia opornosci zlacza kolektorowego 7 Ido wzrostu pradu. Proces ten ma charakter lawinowy i konczy sie spolaryzowaniem zlacza kolektorowego 7 wkitrunku przewodzenia i przejsciem wstan pracy podobny do stanu pracy jednego zlacza p-n w kierunku przewodzenia. Oznacza to, ze pólprzewodnikowa struktura przechodzi ze stanu o malej opornosci. Odpowiada to zjawieniu sie w charakterystyce napieciowo-pradov#j odcinka 11 o opornosci ujemnej, co widac na fig. 2.

W wyniku powyzszego, przy gestosciach pradu przekraczajacych 1 kA/cm2, w promieniujacej warstwie 4 tworzy sie inwersyjne zageszczenie nosników pradu i wskutek istnienia rezonatora Fabry-Perota powstaje spójne promieniowanie swietlne. Dlugosc fali tego promieniowania przy 300°K okreslona jest szerokoscia pasma zabronionego pólprzewodnikowej warstwy 4 i przy zmianach X3 od 0 do 0,37 moze zmieniac sie od czerwonego swiatla widzialnego do promieniowania podczerwonego. Istnienie heterozlaczy 8 i 9 w obu obszarach 8 i 9 czynnej warstwy 4 zapewnia skuteczne wstrzykiwanie elektronów i dziur oraz lokalizacje wstrzykiwanych. nosników i powstajacego promieniowania elektromagnetycznego.

Nalezy miec na uwadze, ze laser pólprzewodnikowy wedlug wynalazku ma wszystkie zalety laserów z heterozlaczami, a mianowicie mala gestosc progowa pradu, duza skutecznosc kwantowa ocaz posiada wazna zalete, fo jest Istnienie odcinka charakterystyki pradowo-napieciowej o opornosci ujemnej. Pozwala to na formowanie impulsów pradu niezbednych do pompowania lasera przy wykorzystaniu jego struktury, jako czynnego elementu elektrycznego.

Na fig. 3 jest przedstawiony najprostszy uklad lasera pólprzewodnikowego wedlug wynalazku. W ukladzie tym równolegle do lasera wlaczono obwód RC. Po przylozeniu zewnetrznego napiecia poczatkowego nastepuje ladowanie kondensatora C przez opornik R. Po osiagnieciu na kondensatorze C wartosci napiecia równej napieciu przelaczajacemu pólprzewodnikowej struktury lasera, jej opornosc gwaltownie zmniejsza sie. Zachodzi wówczas nagle rozladowanie kondensatora C przez wielowarstwowa strukture lasera. Wystepujacy przy tym impuls pradowy wywoluje we wlaczonym stanie generacje promieniowania spójnego. Parametry impulsu zaleza od pojemnosci kondensatora C, napiecia przelaczajacego i opornosci wielowarstwowej struktury lasera.

Zamiast struktury n-p-n-p0-p| moze byc uzyta struktura p-n-p-no-n^. Opisana wyzej struktura moze byc wykonana takze z innych materialów pólprzewodnikowych, jak arsenek indu, staly roztwór arsenku indu, i arsenku galu, staly roztwór fosforku indu i fosforku galu.

FIG. 3 Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120+18 Cena 10 zl

Claims (1)

1. Zastrzezenie patentowe Laser pólprzewodnikowy z pompowaniem elektrycznym, wykonany z pólprzewodnikowego krysztalu Z heterozlaczami, majacy warstwy o róznym typie przewodnictwa, z których jedna jest czynna warstwa promieniujaca, umieszczona we wnece rezonatora optycznego, wlaczona pomiedzy dwie warstwy pólprzewodni¬ kowe O przeciwnym typie przewodnictwa, majace szerokosc pasma zabronionego wieksza niz szerokosc pasma zabronionego warstwy znajdujacej sie miedzy nimi, przy czym warstwa czynna generuje promieniowanie swietlne po przylozeniu do krysztalu napiecia polaryzujacego w kierunku przewodzenia, znamienny tym, ze krysztdl przedstawia soba pieciowarstwowa strukture, której zewnetrzne warstwy (1, 5) maja przeciwne wzajemnie typy przewodnictwa i bezposrednio do jednej z tych warstw (5) przylega warstwa (4) generujaca promieniowanie swietlne i majaca jednakowy z ta warstwa typ przewodnictwa, oddzielona od drugiej zewnetrznej warstwy (1) dwoma warstwami (2 i 3) o przeciwnym wzajemnie typie przewodnictwa, polozonymi tak, ze warstwa (2) stykajaca sie z zewnetrzna warstwa (1) ma przeciwny do niej typ przewodnictwa.90349 *-s 8 7« T 1 YiiiuiunnflimimllTL n n mimmllllUMiunuunA 1 5 ¦3 1 fig. 1 riE.2 +0 */>fr*