Лазеры на квантовых точках

При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. Основное влияние на свойства лазеров оказывает изменение плотности состояний D(E), происходящее под влиянием размерного квантования. Если в объемном полупроводнике D(E) имеет непрерывный характер и в непосредственной близости от края зоны проводимости ее значения малы (рис. 3.75а), то в квантово-размерных структурах она дискретна (рис. 3.75б). Благодаря этому факту, условия создания инверсной населенности в двумерных квантовых ямах оказываются более благоприятными, чем в объемных структурах. Это привело к конкретным практическим результатам. Создание лазеров с квантово-размерной активной областью позволило получить непрерывную генерацию при комнатной температуре и снизить пороговый ток инжекционного лазера до относительно низких значений. Благодаря иной дискретному характеру плотности электронных состояний меняется не только величина порогового тока, но и его температурная зависимость. Она становится более слабой, в силу чего непрерывную генерацию удается получить не только при комнатной температуре, но и при температурах на несколько десятков градусов выше.

а) б) в)

Рис. 3.75. Плотность состояний D(E) в различных объектах: а) объемный полупроводник;

б) тонкая пленка (квантовая яма); в) квантовая точка

В квантовых точках (КТ) энергетический спектр меняется еще более радикальнее, чем в квантовых ямах. Плотность состояний имеет δ-образный вид (рис. 3.75в), в результате чего отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и, как следствие, уменьшает пороговый ток. Лазеры могут содержать одну или (для увеличения оптического усиления) несколько плоскостей, заполненных КТ. На рис. 3.76 представлена схема инжекционного лазера на КТ. Активная область с КТ из InAs на GaAs встроена в p-n-переход в GaAs и ограничена с обеих сторон слоями InGaAs или AlGaAs, имеющими меньший, чем у GaAs показатель преломления и образующими оптический волновод для излучения лазера. Используются также системы вертикально связанных КТ (рис. 3.76б), позволяющие улучшить параметры инжекционных лазеров.

а) б)

Рис. 3.76. Схема инжекционного лазера на КТ (а) и система связанных вертикальных КТ (б)

Инжекционные лазеры с активной средой из КТ обеспечивают значительно лучшие свойства по сравнению с лазерами на квантовых ямах, а именно, существенно больший коэффициент усиления, меньшую пороговую плотность тока, полную невосприимчивость к температуре, лучшие динамические характеристики. Установлено, что в лазерах на основе вертикально связанных КТ пороговый ток при комнатной температуре может быть снижен до 15 А/см². Немаловажно, что частота генерации может легко меняться в зависимости от размера выращенных КТ.

Кроме этого, упорядоченные массивы КТ, сформированные в области оптического волновода, могут привести к появлению распределенной обратной связи и, как следствие, к стабилизации одномодового режима лазерного излучения. В этом случае структуры с КТ пространственно локализуют носители и предотвращают их безызлучательную рекомбинацию на зеркалах резонатора. Таким способом можно избежать перегрева зеркал, являющегося одной из наиболее серьезных проблем мощных лазеров со структурой A1GaAs-GaAs и A1GaAs-InGaAs.

Характерные особенности КТ – весьма широкий спектр поглощения и узкий спектр излучения, благодаря чему удается строить флюоресцирующие системы в широком диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной областей спектра. В настоящее время ведутся исследования по разработке газоразрядных источников света на основе кластеров тугоплавких металлов. Предполагается, что интенсивность излучения газоразрядных источников на основе вольфрамовых или молибденовых КТ намного больше, чем интенсивность излучения традиционных ртутных люминесцентных ламп.

На основе КТ можно изготавливать светодиоды повышенной яркости, а также специальные покрытия для существующих источников света, корректирующие спектр излучения. Известно, что люминесцентные лампы обладают слишком «холодным» спектром излучения. Многочисленные попытки откорректировать спектр с помощью светофильтров и специальных отражателей серьезного успеха до сих пор не принесли. Эксперименты с полимерным покрытием из смеси КТ с полиуретаном показали, что такое покрытие позволяет сдвигать спектр излучения синего светодиода ближе к середине видимой области спектра, делая его похожим на спектр излучения традиционных ламп накаливания.

В последнее время лазеры с активными средами на основе КТ находят широкое применение в медицине (лазерные скальпели, оптические когерентные томографы), в проекционных устройствах и лазерных телевизорах, в области спектроскопии и телекоммуникациях.

Развитие оптоволоконных телекоммуникаций привело к необходимости создания эффективных полупроводниковых лазеров, работающих в спектральной области минимальных потерь волноводов (1,25 – 1,65 мкм). Наибольшая длина волны, достигнутая лазерами на квантовых ямах InGaAs/GaAs, составляет 1,23 мкм – для устройств, генерирующих с торца, и 1,26 мкм для лазеров с вертикальным резонатором. Достаточно большие пороговые токи, низкая рабочая температура и невысокая температурная стабильность таких лазеров далеко не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к высокоскоростным телекоммуникационным устройствам. Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных КТ из полупроводниковых соединений A³B⁵, достаточно однородных по размеру и форме при большой поверхностной плотности, привел к созданию лазеров с КТ в качестве активной среды. В результате спектральная область 1,0 – 1,7 мкм стала доступной для генерации излучения как в лазерах традиционной конструкции, так и в лазерах с вертикальным резонатором, использующих квантовые точки InGaAs на подложке из GaAs. В частности, оба типа лазеров могут генерировать излучение с длиной волны 1,3 мкм с чрезвычайно низкими пороговыми токами и высокой выходной мощностью. В настоящее время имеются действующие образцы лазеров на КТ, излучающих на длине волны 1,5 мкм и плотности тока при комнатной температуре в 70 А/см² на один слой квантовых точек.

Представляют большой интерес также лазеры, использующие квантовые точки InAs на подложке из InP. Такие структуры позволяют получать когерентное излучение в еще более длинноволновом диапазоне – от 1,8 до 2,3 мкм. Данный диапазон длин волн важен для применений в медицине, в частности, в качестве хирургического «светового» скальпеля, избирательного разрушения клеток раковой опухоли (фотодинамическая терапия), облучение плохо заживающих ран (лазеротерапия). Кроме этого лазерное излучение в инфракрасном диапазоне используется в молекулярной спектроскопии и дистанционном контроле газовых атмосфер с помощью лидаров. Интерес к лазерам, излучающим в инфракрасном диапазоне, обусловлен также наличием окон прозрачности атмосферы, для которых диапазоны длин волн составляет от 3,5 до 5 мкм и от 8 до 13 мкм (рис. 3.77). Такие лазеры очень перспективны для использования в области телекоммуникаций и локации.

Рис. 3.77. Спектр оптического пропускания атмосферы Земли