Diodi laser (II)

(22) Molti dei materiali per laser a semiconduttore appartengono ai cosidetti composti III-V, cioè composti formati da elementi della colonna III e della colonna V della tavola periodica degli elementi. Un esempio è l'arseniuro di gallio, che in effetti è stato il primo materiale utilizzato per laser a semiconduttore. I primi laser a semiconduttore erano frabbricati con cristalli formati dall'unione di arseniuro di gallio di tipo n e p. Questi laser sono stati sostituiti da strutture formate da da leghe che contengono tre o quattro elementi dalle colonne III e V della tavola degli elementi. Queste leghe sono chiamate semiconduttori composti ternari o quaternari. Esepi sono Al(1-x)Ga(x)As (arseniuro di gallio alluminio) un composto ternario, e In(1-x)Ga(x)As(1-y)P(y) (fofato di indio arseniuro di gallio) un composto quaternario. In questa notazione i parametri x e y sono parametri di composizione che possono assumere un valore variabile da 0 o 1. Così il sistema Al(1-y)Ga(x)As può variare continuamente da AlAS (x=0) a GaAs (x=1).

Fig. 7 Variazione del salto di energia di banda e dell'indice di rifrazione al variare del parametro di composizione x per Al(1-x)Ga(x) As

(23) Anche le proprietà del materiale variano in maniera continua al variare di x e y. La fig. 7 mostra la variazione del gap di banda e dell'indice di rifrazione nel sistema Al(1-x)Ga(x)As al variare del parametro x

(24) I laser a semiconduttore più comuni sono i laser Al(1-x)Ga(x)As. La lunghezza d'onda in uscita varia con x e i dispositivi commerciali sono disponibili con uscite tra i 780 e gli 880 nm. Sono utilizzati per applicazioni quali i dischi ottici, le comunicazioni ottiche su fibra e le stampanti laser.

(25) Un'altro comune materiale per semiconduttori laser è la lega quaternaria In(1-x)Ga(x)As(1-y)Py, che ha due parametri di composizione , x e y, ognuno dei quali può essere variato indipendentemente per aggiustare la lunghezza d'onda nominale e per adattarsi la costante cristallina del substarto sul quale viene fatto crescere il materiale. I laser In(1-x)Ga(x)As(1-y)Py sono disponibili con lunghezza d'onda compresa tra 1150 e 1650 nm e sono comunemente utilizzati per le comunicazioni in fibra ottica.

(26) Un altro importante tipo di laser è Al(x)Ga(y)In(1-x-y)P, nel quale AL, Ga e P sono tutti nella colonna III degli elementi e la cui somma totale deve eguagliare quella egli atomi di fosforo. Queste leghe operano nella porzone rossa dello spettro visibile, a lunghezze d'onda dai 630 ai 680 nm.

Tavola 1 – Materiali per laser semiconduttori
Materiale	Range lunghezza d'onda
Al(1-x)Ga(x)As	780-880
In(1-x)Ga(x)As(1-y)Py	1150-1650
Al(x)Ga(y)In(1-x-y)P	630-680

(27) La Tabella 1 riassume i tre principali materiali per laser a semiconduttore

Struttura dei diodi laser

Fig. 8 Struttura laser multistrato

(28) Finora abbiamo descritto la più semplice (ed oggi obsoleta) struttura per un diodo laser a semiconduttore, un blocco rettangolare di materiale con una regione di tipo p, una regione di tipo n ed una giunzione n-p col iano parallelo ad una delle superfici. I diodi laser moderni sono formati da strutture che contengono diversi strati di materiale di composizione diversa. Una delle molte strutture possibli è mostrata in fig. 8, che mostra la complessità delle strutture sviluppate. Il materiale è accresciuto in starti sottili, tipicamente di spessore dell'ordine del micron, a partire da un substrato di materiale semiconduttore. Lo spessore è ottenuto attraverso tecniche di crescita epitassiale controllata. Queste tecniche consentono di depositare sottili strati di materiale specificato come un singolo cristallo con pochissimi difetti.

Fig 9 Esempio di diodo con struttura a striscie metalizzate

(29) La struttura può contenere diversi strati di materiale di varia composizione e livello di drogaggio. In una certa regione viene formata la giunzone p-n. Le notazioni p+ e n+ si riferiscono a regioni conduttive altamente drogate con materiali p ed n rispettivamente. La figura mostra anche alcune altre caratteristiche, come l'uso di aree bombardate con protoni che presentano una bassa conduzione elettrica. Le arre bombardate con protoni costituiscono i confini dell'are in cui avviene il fenomeno laser. L'incorporazione di una striscia, o in questo modo o mediante metallizzazione selettiva della superficie, è una caratteristica comune nei diodi laser. La fig. 9 mostra l'incorporazione di una striscia attraverso isolamento e metallizzazione selettivi, la corrente scorre solo nella regino in cui la metallizzazione è a contatto con il semiconduttore.

(30) Consideriamo adesso le funzioni dei diversi strati di materiale semiconduttore, come illustrato nella fig. 8 e 9. Gli strati fortemente drogati sono elettricamente conduttivi, e facilitano la creazione dei contatti elettrici. La sequenza di strati AlGaAs GaAs AlGaAs formano quella che è definita una eterostruttura doppia, nella quale ci sono due variazioni nella composizione del materiale passando attraverso la regione di emissione laser.

Fig. 10 Indici di rifrazione per omogiunzioni ed eterogiunzioni

(31) Per capire la funzione dalla eterostruttura oppia, consideriamo in primo luogo i disposiztivi originari, nei quali la giunzione era formata dall'unione di mmateriale GaAs di tipo p e di tipo n. Questo era un materiele a composizione singola, detto omogiunzione. La fig. 10 mostra una struttuta omogiunzione e come cambia l'indice di rifrazione attraverso lo spessore del dispositivo, passando per la zona di giunzione. E' chiamato omogiunzone perchè il materiale, da entrambe le parti della giunzione ha la stessa composizione. La variazione nel drogaggio fornisce un certo intrappolamento della luce nella regione di giunzione attraverso il fenomeno della riflessione interna della luce. Tuttavia, il gradini nell'indice di riflessione è molto basso ed il confinamento che si ottiene non è molto buono. Le perdite dovute alla diffusione della luce fuori della zona attiva sono ingenti, cosicchè la corrente di pilotaggio deve essere elevata, pertanto questi dispositivi hanno vita ridotta e sono soggetti a danneggiamento. Oggi non esistono più diodi laser omogiunzione.

(32) L'uso di una singola eterogiunzione, come mostrato nella figura al centro, fornisce un confinamento migliore della luce. In questo tipo di struttura, si incontra un cambio di materiale lungo lo spessore e il dipsosito è detto a eterogiunzione singola. Questa struttura fornisce una variazione più accentuata dell'indice di rifrazione. In questo modo si crea un effetto guida d'onda che riduce le perdite di luce nelle zone p+ . Questo comporta perdite minori, minori correnti di pilotaggio, danneggiamenti ridotti e vita utile del dispositivo maggiore. I diodi laser a etrogiunzione singola sono ancora in uso, anche se largamente sostituiti dai disodi laser ad etrogiunzione doppia.

(33) La parte in basso della figura mostra una eterogiunzione doppia, così chiamata perchè si incontrano due variazioni di materiale all'interno dello spessore del dispositivo. Questa struttura confina la luce in entrambi i lati della guida e ridice ulteriormente i requisiti di corrente di pilotaggio. Oggigiorno quasi tutti i diodi laser sono a doppia eterogiunzione. Infatti essi permetto (se correttamente utilizzati) una vita utile del dispositivo di parecchie decine di migliaia di ore.

Fig. 11 Diodo laser a striscia multipla

(34) Lo sviluppo di array lineari ad alta densità di potenza ha portato alla reazione di sorgenti ad alta irradianza adatte ad applicazioni laser di pompaggio. L'array è fabbricato come una barra con un certo numero di laser. La fig. 11 mostra una struttura tipca. Le striscie sono divise tra loro mediante una impiantazione di protoni , che aumenta la resistività delle regioni tra le aree di emissione. Esiste sufficiente accoppiamento di luce tra le varie strisce cosicchè il l'intero dispositivo si comporta come un singolo laser. Questi dispositivi sono in grado di emettere parecchi watt di potenza ottica.