I LASER A SEMICONDUTTORE

Di

Carla Linguardo

Corso di ottica quantistica

3 luglio 2002

Scopo del seminario

Descrizione dei principi di funzionamento dei laser a semiconduttore e delle strutture fondamentali:dalla giunzione p-n a strutture multistrato più complesse…

Più in dettaglio…

• Cenni sui semiconduttori

• Come avere emissione stimolata…

• Strutture di base e loro caratteristiche

• Esempi di strutture multistrato

• Proprietà generali di un diodo laser

Cenni sui semiconduttori…

I materiali si distinguono in isolanti ,conduttori e semiconduttori a seconda delle proprietà delle loro bande di valenza e conduzione

a) Conduttore

b) Conduttore

c) Semiconduttore

d) Isolante

Semiconduttori:a basse temperature sono isolanti, con il crescere della temperatura aumenta la conducibilità ,ciò li differenzia nettamente dai conduttori

•A T= 0 K la banda di valenza è totalmente occupata

•A T= 300 K hanno un’energia di gap tipica non più alta di ~ 2eV

Si può aumentare la conducibilità tramite drogaggio

•Tipo n

•Tipo p

Gli elettroni si distribuiscono nei livelli energetici secondo la statistica di Fermi-Dirac

T 0 ha il seguente significato fisico

f= 1 se E<Ef

f= 0 se E> Ef

Il livello di Fermi stabilisce quindi il limite tra bande occupate per T=0

Nel caso di semiconduttori ideali il livello di Fermi si trovo esattamente a metà della banda proibita fra banda di valenza e conduzione

Semiconduttori Intrinseci

estrinseci

Ideali

Con imperfezioniDegeneri

Non degeneri

Semiconduttori a gap diretto e indiretto

a) Gap direttob) Gap indiretto

I semiconduttori interessanti per la costruzione di un laser sono

solo quelli a gap diretto

Ec –Ev =h

 Kc=Kp + K

Per le transizioni dal vicino infrarosso,visibile e vicino ultravioletto si può trascurare Kp

Quindi

Kc= K

Questo definisce le transizioni a

gap diretto

Esempi di semiconduttori

GaAS InPInAs

a gap diretto a gap indiretto

Ge

Si

Oltre ai composti binari appena visti, nei laser vengono usati anche composti ternari ,come AlGaAs, o quaternari.

Come realizzare emissione stimolata…

Per avere un’idea intuitiva…

Immaginiamo di fornire in qualche modo energia agli elettroni nella banda di valenza così da portarli nella banda di conduzione,dopo un tempo di ~10-23 sec questi decadono nei livelli più bassi…

Nuovo equilibrio

In tale situazione un fotone con energia pari a quella di gap non può essere assorbito.

L’energia minima perché venga assorbito è che la sua energia sia pari a Efc –Ef

Ma Efc –Efv > Egap

Sistema a 4 livelli dove Eo=Ef

E3= Efc

L’emissione stimolata avviene fra i livelli 2 e 1

Come si realizza in pratica

La struttura più semplice è costituita da un diodo in cui le due parti p e n sono fortemente drogate,ciò in sostanza equivale a dire che sono fortemente degeneri…

La concentrazione di portatori è almeno 1018 atomi /cm3

omogiunzione

Profilo delle bande di una giunzione p-n in assenza di polarizzazione

Profilo delle bande della stessa giunzione polarizzata direttamente

Le bande vengono deformate dal potenziale V(x) che si crea in seguito alla ricombinazione di elettroni e lacune

E(x)= E+ (- e) V(x)

Vediamo meglio cosa accade…

Appena messe in contatto le due giunzioni,si crea una corrente di elettroni e in un verso e di lacune in un altro

Conseguenza:

•Zona di svuotamento in prossimità della giunzione

•Barriera di potenziale che si oppone all’allargamento di tale zona

La tensione di polarizzazione ha l’effetto di abbassare la barriera di potenziale

Ancora qualcosa sulla omogiunzione…

a) Bande

b) Indice di rifrazione

c) Guadagno

d) intensità

n.b.

•lieve effetto di confinamento del fascio

•Grosse perdite per assorbimento

Strutture di base

Esempi di strutture multistrato

…facciamo il punto della situazione con uno schema…

…abbiamo parlato dell’ omogiunzioni … introduciamo ora le

Eterogiunzioni

Diversamente dalle omogiunzioni sono costituite da due differenti semiconduttori uno di tipo p e uno di tipo n con diverse energie di gap

•Uso di composti binari ,ternari,quaternari

•Si scelgono con struttura cristallina simile

•La scelta dei materiali e delle dimensioni dei vari strati dipende dalle applicazioni

Eterogiunzione singola

•Struttura asimmetrica

•Confinamento dei portatori

•Confinamento ottico

Doppia eterogiunzione

•Struttura simmetrica e non

•Guida d’onda rettangolare

•Perdite minori

Esempi di di strutture multistrato

Tipo “stripe” (striscia)

•Zona attiva più stretta

•Geometria di tipo “gain guided”

Eterostruttura sepolta (BH)

•Geometria di tipo”index guided”

•Maggiore confinamento ottico

Caratteristiche corrente-potenzaProprietà generali-1

T=120 C

T=22 0C

T=460 C

Is(T) =I0exp(T/T0)

AlGaAs InGaAsP

AlGaAs

La densità di corrente di soglia è limitata dallo spessore minimo che può avere la zona attiva perché il confinamento ottico sia efficace…

Proprietà generali-2Apertura angolare

Le ridotte dimensioni della finestra di uscita fanno divergere il fascio,questo ha sezione ellittica poiché la forma della finestra è rettangolare…

Proprietà generali-3 Astigmatismo

Altra conseguenza…

Problemi nel collimare il fascio…

Proprietà generali- 4lunghezza d’onda - temperatura

La temperatura fa variare l’indice di rifrazione,di conseguenza varia il cammino ottico ,quindi la lunghezza d’onda permessa…

Fine