Современная электроника №9/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 9 / 2024 струкции инжекционного гетеролазе- ра [8]. На рис. 2 показана упрощённая структурная схема энергетических уровней лазера с двойной гетеро- структурой [6], наглядно объясняю- щая принцип работы ДГС-лазера. В гетеропереходе возникает повы- шенная концентрация носителей заряда, формирующая состояние, при котором электроны могут двигаться свободно только в двух направлениях. При этом движение носителей заряда в третьем направлении может регу- лироваться либо с помощью внеш- него поля, либо за счёт уменьшения размеров полупроводника (квантово- размерный эффект – КРЭ). При увеличении прямого смеще- ния образуются потенциальные ямы как для электронов, так и для дырок. Ограничение носителей в двойной гетероструктуре связано с тем, что потенциальные барьеры препятству- ют оттоку инжектированных электро- нов и дырок из инверсной области, не мешая при этом потоку основных носителей из областей инжектора. При этом происходит накопление инжектированных носителей заря- да до концентраций, сравнимых с вырожденными значениями. Таким образом, создаются необхо- димые условия для возникновения состояния инверсной населённости, возбуждающего стимулированное лазерное излучение. Нужно чётко понимать, что как патент Алфёрова, так и патент Крёме- ра представляли собой чисто теорети- ческие разработки, не подкреплённые никакими собственными эксперимен- тальными результатами. Сравнивая вклады этих двух выда- ющихся учёных в теорию и практику развития направления полупроводни- ковых лазеров, следует подчеркнуть, что Герберт Крёмер, будучи блестя- щим физиком-теоретиком с огром- ным стажем работы в области полу- проводниковых транзисторов, более подробно объяснил в своём патенте принципы работы инжекционного лазера с ДГС. Однако Жорес Алфёров, обладавший реальным талантом экспериментато- ра и организатора науки, сумел мно- го позже не только реализовать на практике эти идеи, но также и разра- ботать технологии для массового про- изводства ДГС-лазеров различных кон- струкций. На рис. 3, взятом из первооткры- вательской статьи Крёмера, 1963 [7], показана зонная диаграмма лазера с двойной гетероструктурой. Электроны диффундируют из n-легированной области, а дырки, соответственно, из p-легированной. В активном слое они рекомбинируют и стараются вернуться в донорные зоны. Характерной особенностью гетеро- перехода является наличие потенци- альных ям, удерживающих электроны и дырки. В квантовой яме электроны, находящиеся в состоянии двумерно- го электронного газа (Two-Fimensional Electron Gas), ограничены в движении по одной из декартовых координат. Структура ямы определяется профи- лем зоны проводимости полупрово- дниковой структуры. Вероятность того, что электрон может перейти на другой уровень с определённой энергией E, зависит от функции Ферми. Уровень Ферми (Fermi Level) расщепляется в актив- ном слое благодаря инверсии. Для зоны проводимости и валентной зоны вводятся понятия квазиуровней Фер- ми, соответственно Fv и Fc. Электроны, находящиеся на уровне выше энергии Ферми, могут ускоряться электриче- ским полем, и длина их пробега позво- ляет покинуть активную область в том случае, когда прямое смещение меньше, чем ширина запрещённой зоны. Обкладки из полупроводника с более широкой запрещённой зоной возвращают эти электроны обратно в активную зону. Такое изменение приводит к появлению на стороне p-проводимости квазиэлектрическо- го поля, отталкивающего электроны, а на стороне n-проводимости анало- гичного квазиэлектрического барье- ра, отталкивающего дырки. Квази- электрические силы с обеих сторон начинают выдавливать как электро- ны, так и дырки в активную область. В результате концентрации электро- нов и дырок могут значительно пре- вышать значения, соответствующие уровням легирования в контактных областях. В активной зоне, непосред- ственно примыкающей к p-n-переходу, реализуется инверсная заселённость, характеризующаяся тем, что энерге- тическое расстояние между квази- уровнями Ферми больше, чем шири- на запрещённой зоны (Fv – Fc > Ɛg). Приоритетная дата патента Жоре- са Алфёрова была зафиксирована как «30 марта 1963 года». Статья в журна- ле Proceedings of the IEEE, которая офи- циально представила идеи Герберта Крёмера, была опубликована 12 дека- бря 1963 года, то есть на восемь меся- цев позже патента Алфёрова. Поэто- му формально изобретателями первой конструкции инжекционного полу- проводникового лазера с двумя гете- ропереходами типа ДГС считаются Жорес Алфёров и Рудольф Казаринов. Хотя статья Герберта Крёмера была опубликована значительно позже даты официальной регистрации заяв- ки на патент Жореса Алфёрова, о рабо- Рис. 2. Упрощённая структурная схема энергетических уровней инжекционного лазера с двойной гетероструктурой Рис. 3. Зонная диаграмма лазера с двойной гетероструктурой (Крёмер-1963) Электроны Доноры Свет Акцепторы Дырки Квазиэлектрон Уровень Ферми Квазидырка Уровень Ферми Поток дырок Поток электронов