Лазеры на квантовых точках

Повышение степени локализации носителей заряда значительно улучшает характеристики лазерных диодов по сравнению с лазерами на объемных материалах. Это высокие коэффициенты усиления, малые значения порогового тока. Высокая стабильность работы и очень узкие линии излучения. Линии излучения идеального лазера на квантовых точках исключительно узкая (монохроматическая) и не зависит от температуры.

Метод самоорганизации квантовых точек на поверхности раздела двух материалов с разными параметрами кристаллической решетки. Материал выращивается химическим осаждением паров из газовой фазы на подложке из кристалла с большой постоянной кристаллической решетки и большой шириной запрещенной зоны .

На рис.1 представлены рассчитанная зависимость коэффициента усиления для идеальных систем разной размерности с квантовой локализацией. Квантовые точки имеют максимально острые пики спектра и самых высоких значениях коэффициента усиления. При энергии излучения 0,94 эв(ИК диапазон) коэффициент усиления около .

 

Рис.1. Спектр коэффициентов усиления для лазеров на идеальных, объемных полупроводниках, квантовых ямах, квантовых проволоках и квантовых точках.

 

На рис.2. представлено устройство лазера на квантовых точках. Структура состоит из нескольких слоев материалов образующих -диод. Эти слои включают (снизу вверх) подложку ,слой ,слой с собственной проводимостью, содержащий квантовые точки , слой и верхний слой . Металлические контакты на подложке и верхнем слое соединяют структуру с внешней электрической цепью.

 

Рис.2 Схема устройства лазера с краевым излучением на самоорганизованных квантовых точках.

На вставке показан зародышевый слой с пирамидальными квантовыми точками.

На рис.3 видно, что длина волны излучения лазера с излучением на квантовых точках растет с увеличением размера квантовых точек.

 

Рис.3 Показана зависимость длины волны излучения лазера от размера пирамидальных квантовых точек в зародышевом слое.

При подаче прямого смещения электроны и дырки инжектируются (впрыскиваются) во внутренний слой , они попадают в квантовые точки с меньшей запрещенной зоной, где происходит рекомбинация и излучение. Длин волны излучения соответствует межзонным переходам в квантовых точках .Слой с квантовыми точками находясь между примесными слоями с меньшим коэффициентом преломления, локализует излучение. Зародышевый слой повышает эффективность диффузии носителей в квантовые точки. Его ширина запрещенной зоны меньше,чем в .Для увеличения поверхностной плотности квантовых точек используют массив с несколькими зародышевыми слоями с пирамидальными квантовыми точками. В настоящее время такие лазеры в видимом и инфракрасном диапазоне являются коммерческим продуктом.