Poluprovodnicki Laseri Finish

5/17/2018 Poluprovodnicki Laseri Finish - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/poluprovodnicki-laseri-finish 1/9

U v o d

Rec laser je akronim od «light amplification by stimulated emission of radiation«

(pojacanje svetlosti stimulisanom emisijom zracenja). Njegova bitna karakteristika, koja ga izdvaja

od ostalih izvora svetlosti je emisija strogo definisanih (uzanih) snopova monohromatske svetlosti.Monohromatska svetlost je svetlost odredjene talasne duzine. Primena lasera je siroka, u razlicitimoblastima zivota, nauke. Posebnu grupaciju lasera cine poluprovodnicki laseri. Njihova znacajna primena je u obezbedjivanju monohromatske svetlosti koja prenosi informacije kroz opticka vlaknakomunikacionih sistema.

Funkcionisanje lasera bazirano je na kvantnomehaničkom principu koji kaže da kada fotoninteraguje sa elektronom postoji jednaka verovatnoća:

• da će foton biti apsorbovan, a elektron pobuđen na viši energetski nivo ili

• da će, ako je elektron već pobuđen, emisija drugog fotona biti stimulisana deeksitacijomelektrona iz pobuđenog stanja u energetski niže stanje.

Po nacinu rada i tipu aktivne sredine laseri se mogu podeliti u cetri:

• laser cvrsog stanja,

• tecni laser,

• gasni laser

•

poluprovodnicki diodni laser.

Istorijat razvoja poluprovodnickih lasera

Ideja o poluprovodnickim laserima potekla je od strane ruskog naucnika N.Basova 1957godine.Vec krajem 1962 godine, na predlog Basova i Dumkea , naucnici u cetri americkelaboratorije nezavisno demonstriraju svoje verzije poluprovodnickih lasera:

• Dr.Robert N.Hol-Istrazivacki razvojni centar Dženeral Elektrik /Njujork/•

Dr.Nik Holonjak ,mladji-Industrijski centar Dženeral Elektrik , /Sirakuza-Njujork/• Dr. Marsal Nejtan -IBM Istrayivacka laboratorija /Jorktaun Hajts-Njujork/• Dr.Robert Rediker-MIT Linkoln Laboratorija /Leksington-Masacusets/

Prvi poluprovodnicki laseri su radili na niskim temperaturama u impulsnom rezimu, a vecnaredne godine proizvedeni su za rad u kontinuelnom rezimu.Dalji razvoj i efikasnijuemisiju inicirali su H.Kremer, Z.Alferov i R.Kazarinov predlogom o laserskim diodama saheterostrukturom.Godine 1968. tim ruskog naucnika Alferova izveo je prvi impulsni laser



sa heterostrukturom a 1970. demonstriran je rad prvog kontinualnog poluprovodnickoglasera na sobnoj temperaturi. Laserske diode jos uvek nisu bile u prakticnoj primeni.Veliki broj otkrica bio je neophodan da bi poluprovodnicki laseri dostigli nivo na kome se danasnalaze.

Hronologija vaznih otkrica:

• 1970.L.Esaki i R.Tsu: Prva quantum well struktura• 1978.D.R.Skifers, Rad laserske diode GaAlAs/GaAs na sobnoj temperaturi ,bazirane na

quantum well strukturi.• 1979. H.Soda ,Povrsinsko emitujuca (surface-emitting) laserska dioda• 1981.F.Kojama, Laserske diode sa distribuiranim Bragovim reflektorom GaInAsP/InP,

emitovana talasna duzina 1.58 μm.• 1985.K.Iga: VCSEL (GaAlAs/GaAs) laser dioda ,rad u impulsnom rezimu na sobnoj

temperaturiласер диода• 1991.M.Hase:prvi kratkotrajni rad plavo zelene emitujuce laseske diode na principu II-VI

poluprovodnika ZnSe• 1996.S.Nakamura ,prvi efikasan plavo emitujucilaser pri radu na sobnoj temperaturi

baziran na III-V grupe, GaN

Danas, poluprovodnički laseri predstavljaju praktično jednu od najbitnijihoptoelektroničkih naprava: Optičke fiber komunkacije i optičko skladištenje podataka, a isto takosu široko rasprostranjeni u nižu aplikacija u mnogim oblastima. Ovaj uspeh je očekivan s obziromna činjenicu da se pumpanje poluprovodničkih lasera vrši na taj način što se propušta struja kroznjih na odgovarajućem naponskom nivou.

Princip rada poluprovodnickih lasera

Treba napomenuti da je ova vrsta lasera slicna LED diodama. Kao i kod LED dioda, strujadirektno polarisanog P-N spoja prouzrokuje rekombinaciju viska (ili natkoncentracije n p - n pe)manjinskih nosilaca , sto dovodi do emisije svetlosti. Za razliku od svetlosti LED dioda (spontanaemisija), svetlost dobijena laserom je monohromatska i rezultat je procesa stimulisane emisije.

Neka P-N spoj emituje svetlost zbog struje direktne polarizacije. Ako se na krajeve P-Nspoja postave ogledala, emitovana svetlost ce se reflektovati od njih, pri cemu ce svetlost u pravcunormalnom na ogledala postati dominantna. Znacajno je sledece: prisustvo ove svetlostifrekvencije ν povecace verovatnocu porasta broja manjinskih elektrona koji padaju sa provodne uvalentnu zonu emitujuci svetlost iste frekvencije ν. Kako prisustvo novih fotona energije h ν

izaziva dalji porast emisije svetlosti frekvencije ν, nastaje lancana reakcija, koja dovodi dostimulisane emisije svetlosti. Jasno, tokom stimulisane emisije upadni snop svetlosti malog



intenziteta prerasta u svetlosni snop velikog intenziteta, kao sto se vidi na slici. Ovo se zoveopticko pojacanje.

Slk

slika 1.

Da bi se iskoristila ova generisana svetlost, jedno od ogledala se izradjuje kao polupropustljivo, tako da strogousmereni, monohromatski snop svetlosti moze da napustikomponentu. Da bi laser funkcionisao, jos jedan operacioni problem mora biti resen: koncentracijaviska elektrona u provodnoj zoni mora da se odrzava na visokom nivou, inace posto fotoni napuste

komponentu, visak elektrona ce biti utrosen, tako da ce generisanje svetlosti da prestane. Ovo se postize tako sto se struja direktne polarizacije odrzava iznad potrebnog nivoa (struja praga), takoda je koncentracija injektovanih manjinskoh nosilaca u oblast P-tipa dovoljno veca od ravnoteznognivoa. Ovaj uslov je poznat kao inverzna populacija.

U slucaju neravnoteze, koncentracije elektrona i supljina su izrazene preko dva odvojenakvazi-Fermijeva nivoa (EFN i EFP). Primer na slici ilustruje slucaj vrlo visoke koncentracije ielektrona i supljina, tako da i EFN i EF P zadiru u energetske zone. Pokazuje se da je za stimulisanuemisiju neophodno da se izbegne apsorpcija svetlosti. Da bi se odigrala stimulisana rekombinacija parova elektron-supljina, neophodno je sledece:

1. da postoje fotoni energije h ν,2. da postoje elektroni na energetskom nivou E2 u provodnoj zoni i

3. da postoje supljine na nivou E1 u valentnoj zoni, pri cemu je E2-E1=hν. Tada brzinastimulisane rekombinacije moze da se izrazi kao:Konacno,

12FPFN EEhEE −= ν>− .



Otuda, stimulisana emisija moze da nadjaca apsorpciju samo u slucaju jakih neravnoteznihkoncentracija elektrona i supljina, tako da je razlika izmedju odgovarajucih kvazi-Fermijevih nivoaveca od energije emitovanih fotona.

TIPICNI HETEROSPOJNI LASER

Rekombinacija kod indirektnih poluprovodnika, kao sto je Si, ne dovodi do znacajne emisijesvetlosti. Zato se poluprovodnicki laseri izradjuju od direktnih poluprovodnika, tipicno od III-V iII-VI poluprovodnickih jedinjenja. Osim toga, prakticno je nemoguce da se postignu uslovi (3.8)koriscenjem standardnog P-N spoja. Takodje, neophodno je da se ogranici emitovani snop svetlostiunutar aktivne oblasti lasera. Svi ovi zahtevi mogu biti ispunjeni koriscenjem struktura saslojevima razlicitih III-V i/ili II/VI poluprovodnika. Spoj razlicitih poluprovodnickih materijala sezove heterospoj.

Razliciti poluprovodnicki materijali imaju razlicite energetske procepe, tako da naheterospoju nastaje diskontinuitet energetskih zona, slicno kao na Si-SiO2 medjupovrsini. Ovidiskontinuiteti mogu da pomognu da se ostvari uslov 12FPFN EEhEE −= ν>− . Uz to, razlicitimaterijali imaju razlicite indekse prelamanja,sto na paralelnim medjupovrsinama moze da potpomogne totalnu refleksiju snopa svetlosti, tako da je svetlost ogranic~ena unutar aktivneoblasti.

Za dobijanje heterospoja (nanosenje jednog poluprovodnckog materijala preko drugog)koristi se tehnoloski postupak koji se zove molecular beam epitaxy (epitaksija snopom

molekula). Da bi se dobile medjupovrsine visokog kvaliteta, uzorci se tretiraju u komorama ukojima je ostvaren visoki vakuum, kroz koje se propustaju reaktivni gasovi. Pri tome, uzorci ostajuu komori, dok se gasovi menjaju, propustajuci se od jednog do drugog sloja.Izbor poluprovodnikakoji ce emitovati svetlost (aktivnog sloja) zavisi od toga koja se frekvencija svetlosti zahteva.

uobicajno se koriste sledeci materijali sa karakteristikama:



Na slici je prikazan laser sa GaAs kao aktivnim slojem. Ovo je primer tipicnog poluprovodnickoglasera. Da bi se ostvarili odgovarajuci diskontinuiteti energetskih zona neophodno je da sa obestrane aktivnog sloja budu slojevi sa sirim energetskim procepima. Kod ovog lasera u tu svrhu sekoristi AlGaAs N- i P-tipa.Ovde ce se razmotriti N-AlGaAs/P-GaAs heterospoj. Ako je nivo dopiranja N-AlGaAs dovoljnovisok, elektronski kvazi-Fermijev nivo (EFN) je dovoljno blizu dna provodne zone, tako da nastaje

diskontinuitet provodne zone sa GaAs: dno provodne zone u GaAs se spusta ispod E FN . Analogno,diskontinuitet valentne zone na P-AlGaAs-P-GaAs heterospoju sme{ta EFP ispod vrha valentnezone. Ovo obezbedjuje uslove za inverznu populaciju kada se primeni odgovarajuci napon direktne polarizacije. Emitovana svetlost se reflektuje nazad i dalje ogledalskim povrsinama zahvataju}idovoljno fotona da startuju stimulisanu emisiju. Fotone koji prodju kroz polupropustljivo ogledalo(koji, ustvari, predstavljaju laserski snop) zamenjuju novi elektroni i supljine, koje obezbedjujelaserska struja direktne polarizacije IF.



SLika 2.

Diskontinuiteti provodne zone na oba heterospoja (N-AlGaAs-P-GaAs i P-GaAs-P-AlGaAs) su vrlo znacajni. Oni kreiraju potencijalnu jamu koja zahvata manjinske nosioce(elektrone), tako da oni ne mogu da difunduju van aktivne oblasti. Ovo ogranicenje nosilaca jeznacajno za odrzavanje inverzne populacije i maksimiziranje stimulisane rekombinacije i emisijesvetlosti. S druge strane, ogranicenje svetlosti se ostvaruje zbog cinjenice da je indeks prelamanjaAlGaAs manji nego indeks prelamanja GaAs.

Sloj koji se nanosi preko GaAs, kao i sloj na koji se nanosi GaAs takodje formirajuheterospojeve sa susednim AlGaAs slojevima. Ovo, takodje, dovodi do diskontinuiteta energetskihzona. Medjutim, osiromaseni slojevi su uzani zbog visokog dopiranja, tako da ne predstavljaju prakticni problem za protok struje.

Slika 3.



Šematski prikaz energetskih zona i strukture injekcionog poluprovodničkog lasera.

• Glavna teškoća vezana za strukturu osnovnog injekcionog poluprovodničkog lasera jevelika gustina struje praga potrebna za populacionu inverziju: ~ 105 A/cm2 na 300 K,

odnosno ~ 103

A/cm2

na77 K. Zato je on uglavnom bio korišćen na temperaturi tečnog azota(77 K), pa i tada u impulsnom režimu (da bi između impulsa bilo omogućeno hlađenje).Značajan napredak je postignut izradom poluprovodničkih injekcionih lasera na bazi

višestrukih heterospojeva, omogućen novim tehnologijama izrade tankih slojeva, kao što je epitaksija molekularnim snopom (MBE).

• Kod lasera na bazi višestrukih heterospojeva, kao posledica različitih vrednosti energetskih procepa na mestima heterospojeva, pojavljuju se različite potencijalne barijere u provodnoji valentnoj zoni. Pri direktnoj polarizaciji ove multiheterospojne laserske strukture dolazido lokalizacije injektovanih nosilaca (elektrona i šupljina) u okolini aktivne oblastiheterospojeva (širine 0,1 - 0,5 μm), gde dolazi do rekombinacije nosilaca i emisije fotona.

S obzirom da promena u indeksu prelamanja istovremeno vrši lokalizaciju emitovanihfotona u ovoj aktivnoj oblasti (zbog totalne refleksije), to u toj oblasti postoji istovremeno

visoka koncentracija elektrona, šupljina i fotona. Zato ovde laserski efekat nastaje priznatno nižoj gustini struje(~ 500 A/cm2 na 300 K), što omogućava rad ovog lasera i u kontinualnom režimu, nasobnoj temperaturi.

Slika 4.

• Šematski prikaz strukture, indeksa prelamanja i energetskih zona injekcionog lasera na bazi• Al1-xGaxAs heterospojeva.

• Pogodno dizajnirani laseri na bazi multiheterospojnih struktura imaju koherentnostzračenja ~ 10−1 nm, što je desetak puta bolje od osnovnih poluprovodničkih lasera, a u



rangu sa gasnim laserima. Ovo je posledica diskretne gustine stanja 2D elektronskog išupljinskog gasa u ovim strukturama. Slične prednosti imaju i laseri sa strukturomsuperrešetke.

Pobuđivanje poluprovodničkih lasera vrši struja koja teče kroz p-n spoj, odnosno kroz multislojnu

strukturu napravljenu od legure sa odgovarajućim energetskim procepima. Za rad na talasnimdužinama od oko 800 nm koristi se legura na bazi GaAs, u kombinaciji sa GaAlAs. To je materijalčije se energetski procep može podešavati doziranjem aluminijuma, a time se ujedno određuje iradna talasna dužina. U području većih talasnih dužina, do oko 1600 nm, koriste sevišekomponentne legure na bazi GaAlAsP sa InP ka podlogom. Danas korišćeni spektar talasnihdužina u optičkim telekomunikacijama je mali deo infracrvenog dela spektra.

Primena poluprovodnickih lasera

Poluprovodnički (diodni) laseri, su danas u najširoj svakodnevnoj upotrebi Slika 5. To sulaseri koji emituju kontinuirano zračenje, obično malih snaga (do 100 mV), najčešce u crvenom iinfracrvenom delu spektra. Kao aktivni medij, a ujedno i rezonator koriste poluprovodničku pločicu (eng. chip) tipa GaAs, INP, gasbu ili Gan. Njihova široka uporebu rezultat je masovne proizvodnje, zbog jednostavne tehnologije izrade i niske cene. Lasersko zračenje nastaje kaorezultat rekombinacije elektrona i šupljina unutar poluprovodnika kada se na krajeve poluprovodnika dovede odgovarajuci napon. Karakteriše ih visoka efikasnost konverzije električneu svetlosnu energiju. Nominalna bitni dužina emisije (boja) definisana je tipom poluprovodnika,strujom koja prolazi kroz poluprovodnik i temperaturom.

Slika 5.



Poluprovodnički se laseri danas koriste kao čitači CD-ova i DVD-ova, kao čitači cena usvim prodavnicama, u laserskim printerima, kao laserski pokazivačima (engl. pointer), laserskiinstrumenti za merenje dužine i kosine, u telekomunikacijama, itd. U naučnim se laboratorijamaoni koriste za eksperimente laserskog hlađenja molekula i stvaranja jednog novog stanja materijetzv. Bose-Einstainovog kondezata (BEC), Slika 6. BEC je najhladnije eksperimentalno izmereno

stanje materije.

BEC je najhladnije eksperimentalno izmereno stanje materije. Temperatura atoma koji čineBEC iznosi svega stotinjak nK. Atomi na tim temperaturama zaboravljaju na svoju individualnusvest i dobijaju novu, kolektivnu svest. U takvim se uslovima može povuci analogija između atomai fotona, prvenstveno što se tiče svojstva koherentnosti. U skladu sa tome naučnici su izumeliatomski laser koji pokazuje sva svojstva fotonskog (svetlosnog) lasera.Upotreba atomskog lasera u holografija i interferometrija omogucila bi veliki korak premaosvajanju novih prirodnih prostranstava. Naime, zbog dualne prirode (de Broljova hipoteza), atomise takođe ponašaju kao talasi čija je talasna dužina mnogo kraca od talasne dužine svetlosnihlasera. To bi u eksperimentima holografije značilo povecanje rezolucije do nanometarskih skala,

odnosno u eksperimentima interferometrije povecanje osetljivosti instrumenta čime bi se direktnomogla testirati kvantna teorija.

Slika 6. Raspodjela atoma po brzinama ukazuje na stvaranje BEC-a

Documents

Poluprovodnicki Laseri Finish