Chương 1: Nêu ra các nguyên lý cơ bản của laser diode và tính chất chùm tia laser. Chương 2: Trình bày phương pháp kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn. Chương 3: Trình bày các kết quả đo các đặc trưng và tính toán các thông số của laser công suất cao vùng ánh sáng 670nm có cấu trúc BA và cấu trúc Taper. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 Chương - 1.
NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA LASER DIODE VÀ TÍNH CHẤT CHÙM TIA 1. Nguyên lý hoạt của laser diode 1. Sự phát xạ và sự hấp thụ trong chất bán dẫn Các laser rắn và laser khí có các vạch năng lượng hẹp như là các mức năng lượng của của các nguyên tử riêng biệt. Trong bán dẫn, các mức năng lượng được mở rộng thành vùng năng lượng do sự chồng phủ của các quỹ đạo nguyên tử.
Với bán dẫn không pha tạp và khi không có sự kích thích từ bên ngoài nào, ở nhiệt độ T=0 K, vùng năng lượng trên cùng được gọi là vùng dẫn và được bỏ trống hoàn toàn, vùng năng lượng bên dưới vùng dẫn được gọi là vùng hóa trị và được lấp đầy hoàn toàn bởi các điện tử. Vùng dẫn và vùng hóa trị cách nhau một khe năng lượng có giá trị Eg = 0.5eV cho vật liệu bán dẫn làm laser diode công suất cao. Hai loại hạt tải đóng góp vào quá trình dẫn điện đó là điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị. Một điện tử tự do có động năng E � p 2 (2m0 ) , khối lượng m0 =9.
Khi điện tử được xem xét như là hạt trong cơ học lượng tử ta có momen xung lượng p � �k tỉ lệ với số sóng k � 2� / � và hằng số Planck =6.582173x10-16eVs, trong đó � là bước sóng. Vậy đối với một điện tử tự do ta có sự phụ thuộc của năng lượng vào số sóng là E (k ) � �� 2k 2 �/ �2m0 �. Trong bán dẫn các mức năng lượng của điện tử trong vùng dẫn Ec(k) và trong vùng hóa trị Ev(k) có số sóng k nhỏ được biểu diễn như sau [6]: � 2k 2 �2k 2 E c (k ) � E g � , E v (k ) � � .1) 2me 2mh Hình 1.1 là giản đồ năng lượng trong không gian vec tơ sóng k của bán dẫn vùng cấm thẳng. Sự tương tác của các hạt tải với mạng tinh thể chất rắn xảy ra được giải thích bởi khái niệm khối lượng hiệu dụng cho các điện tử me và cho các lỗ trống mh , khối lượng này khác so với khối lượng m0 ở trên.
Từ sự phụ thuộc của E �k � trong vùng hóa trị có dạng parabol âm, các lỗ trống có thể đóng góp như các hạt với điện tích dương. Sự chuyển mức vùng vùng có phát xạ là sự phát sinh và tái hợp của các cặp điện tử lỗ trống tương ứng với sự hấp thụ hoặc phát xạ các photon. Trong sự chuyển mức này, năng lượng E và momen lượng tử �k phải được bảo toàn. Do giá trị cao TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 của tốc độ ánh sáng c � 2,997925 � 1010 cm / s , momen lượng tử của các photon �k � �� c � E ph / c cho mức năng lượng E ph trong khoảng 0,5-2,5eV có thể được bỏ qua khi so sánh với mômen lượng tử của các hạt tải điện.
Bởi vậy một chuyển mức bức xạ giữa một điện tử trong vùng dẫn với năng lượng E2 (k 2 ) và một lỗ trống trong vùng hóa trị với năng lượng E1 �k1 � dưới dạng phát xạ hoặc hấp thụ một photon chỉ có thể xảy ra ở cùng một số sóng k .1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg Như trong hình 1.1 chỉ ra, các chuyển mức này có thể được minh họa bởi các mũi tên thẳng đứng với năng lượng photon �� các mũi tên này hướng lên trên cho sự phát sinh và hướng xuống dưới cho sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống. Trong trạng thái cân bằng nhiệt, các hạt tải có xu hướng chiếm giữ các trạng thái với năng lượng thấp nhất. Với các điện tử đó là các trạng thái ở đáy vùng dẫn và năng lượng tối thiểu của các lỗ trống tích điện dương là trên đỉnh của vùng hóa trị.
Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn của bán dẫn vùng cấm thẳng ở vị trí k � 0. Trong bán dẫn vùng cấm xiên như Si, Ge đỉnh và đáy có giá trị k khác nhau; bởi vậy tái hợp vùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 – vùng chỉ có thể xảy ra với sự tham gia của phonon hoặc các bẫy. Xác xuất tái hợp với sự tham gia của nhiều hạt là rất nhỏ và thông thường các tái hợp này là không bức xạ, vì vậy các bán dẫn vùng cấm xiên là không phù hợp cho việc chế tạo laser bán dẫn. Trong trạng thái cân bằng nhiệt ở nhiệt độ T , xác xuất có một trạng thái với năng lượng E được chiếm giữ bởi một điện tử được diễn tả bởi hàm Fermi f �E , T � .3) � E � EF � exp�� �� � 1 � k BT � ở T � 0 K, hàm Fermi là hàm nhảy bậc có giá trị 1 bên dưới mức năng lượng Fermi E F và có giá trị 0 cho các mức năng lượng cao hơn.
Trong bán dẫn không pha tạp mức Fermi nằm ở giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Với nhiệt độ T lớn hơn 0K, hàm Fermi nhòe ra trong dải EF � 2k BT , với k B =8,617347 x 10-5 eV/K là hằng số Boltzmann. Với một mức năng lượng photon cố định �� , chỉ có hai mức năng lượng riêng biệt E1 �k � và E2 �k � vì sự chuyển mức chỉ có thể xảy ra ở cùng véc tơ sóng k như trong hình 1. Trong bán dẫn có ba dạng của bức xạ vùng – vùng được minh họa trong hình 1.
Quá trình thứ nhất được gọi là phát xạ tự phát, ở đó sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống dẫn đến sự phát xạ của một photon. Đây là quá trình chiếm ưu thế trong đi ốt phát quang LEDs (Light – Emitting Diodes). Sự phát xạ của photon có hướng, pha, thời gian ngẫu nhiên làm cho bức xạ không có tính kết hợp. Vì quá trình này phụ thuộc vào sự tồn tại của một điện tử ở mức E2 và một lỗ trống ở mức E1 , tốc độ chuyển mức cho phát xạ tự phát Rsp tỉ lệ với sự tạo ra mật độ điện tử ở E2 và mật độ lỗ trống ở E1.
Mật độ điện tử ở mức năng lượng E2 là tích của mật độ trạng thái điện tử D �E2 � và xác xuất trạng thái bị chiếm giữ bởi điện tử được cho bởi hàm Fermi f �E2 , T �. Mật độ lỗ trống ở mức E1 là mật độ trạng thái điện tử D�E1 � nhân với xác xuất không bị chiếm giữ bởi các điện tử �1 � f �E1 , T ��. Vậy tốc độ chuyển mức trên đơn vị thể tích cho phát xạ tự phát của photon với mức năng lượng cố định �� � E2 � E1 có thể được viết như sau: Rsp � AD�E 2 � f �E2 , T �D� E1 ��1 � f � E1 , T �� (1.4) Với A là hằng số tỉ lệ cho phát xạ tự phát. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.
2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn Sự hấp thụ, cũng được gọi là hấp thụ kích thích, là quá trình thứ hai minh họa trong hình 1. Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗ trống được phát sinh. Đây là một quá trình ba – hạt và tốc độ chuyển mức R12 bởi vậy tỉ lệ với sự tạo ra của ba mật độ hạt: thứ nhất, mật độ trạng thái không chiếm giữ D�E2 ��1 � f �E2 , T �� trong vùng dẫn ở mức năng lượng E2 , thứ hai, mật độ trạng thái bị chiếm giữ bởi điện tử D �E1 � f �E1 , T � trong vùng hóa trị ở mức E1 , thứ ba mật độ của photon � ��� � với năng lượng �� � E2 � E1 R12 � B12 � ��� �D� E1 � f �E1 , T �D �E2 ��1 � f �E 2 , T �� (1.5) B12 là hằng số tỉ lệ cho hấp thụ kích thích. Quá trình thứ ba là phát xạ kích kích.
Một sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống được kích thích (hay cảm ứng) bởi một photon và một photon thứ hai được sinh ra đồng thời có cùng hướng và pha như photon thứ nhất. Quá trình này có thể được sử dụng để khuếch đại bức xạ quang, vì các photon được phát ra hoàn toàn giống photon kích thích về tần số, pha, phân cực và hướng, kết quả là ta có phát xạ có tính kết hợp. Nguồn ánh sáng dựa trên quá trình phát xạ này cùng với thành phần phản hồi quang (ví dụ buồng cộng hưởng Fabry-Perot) được gọi là laser, viết tắt của “light amplification by stimulated emission of radiation”. Tương tự với hấp thụ kích thích (1.5), tốc độ chuyển mức R21 cho phát xạ kích thích có thể được diễn tả như sau: R21 � B21 � ��� �D�E2 � f �E2 , T �D�E1 ��1 � f �E1 ,T �� (1.6) Với B21 là hằng số tỉ lệ cho phát xạ kích thích.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 Khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt đối với các photon, không có năng lượng nào được chuyển từ bán dẫn tới trường phát xạ quang, vì vậy hấp thụ và phát xạ phải cân bằng: R12 � R21 � Rsp (1.6) cho tốc độ Rsp , R12 , và R21 tương ứng, ta được B21 � ��� � � A f �E1 , T ��1 � f �E 2 , T �� � , (1.9) B12 B12 � ��� � f �E2 ,T � � f �E1, T � f �E2 , T � 1 �1 f �E1 , T � Mật độ photon � ��� � trong cân bằng nhiệt không phụ thuộc vào hàm cụ thể của mật độ trạng thái D �E � , đưa vào hàm Fermi f �E , T � từ (1.3) và mối liên hệ �� � E2 � E1 (1.2), ta được � E � EF � exp�� 2 �� B21 � A 1 � � k B T � � exp�� �� �� , (1.10) B12 B12 � ��� � � E � EF � �k T � exp�� 1 �� � B � � k BT � A � ( �� ) � (1.