Il laser a semiconduttore

Il laser è un oscillatore ottico in grado di assolvere due compiti fondamentali:

l’amplificazione della luce, mediante un mezzo attivo e un sistema di pompaggio in grado di consentire lo sviluppo del fenomeno dell’emissione stimolata; la retroazione della luce stessa tramite un risonatore ottico, generalmente realizzato mediante due specchi riflettenti.

Nel corso di questo paragrafo si prenderanno in considerazione, per descriverne il funzionamento e le principali caratteristiche, i laser a semiconduttore in quanto sono quelli oggi più comunemente impiegati.

Il cuore di un laser a semiconduttore é una giunzione tra materiali con diverso drogaggio, p ed n come mostrato in Figura 3.2.1.

Figura 3.2.1 Struttura fondamentale di un Laser a semiconduttore

In un materiale semiconduttore i livelli di energia sono in realtà delle bande energetiche, separate da intervalli di energia proibiti (band gap). La probabilità di occupazione della banda é definita dalla statistica di Fermi-Dirak e dipende da un livello di energia di riferimento detto livello di Fermi.

In un semiconduttore intrinseco il livello di Fermi si trova a metà del band gap esistente tra la Banda di Valenza (BV) e la Banda di Conduzione (BC) e sia la concentrazione di elettroni in BC, sia quella di lacune in BV é estremamente bassa. Drogando il semiconduttore con impurità di tipo n o p il livello di Fermi si sposta rispettivamente verso la BC o verso la BV. Nel primo caso si incrementa la concentrazione di elettroni in banda di conduzione e si riduce la concentrazione di lacune in banda di valenza, nel secondo caso avviene l’opposto.

Fig. 2.3.2 Statistica di Fermi

L’o biettivo é di realizzare una regione in cui tali portatori (le coppie elettrone -lacuna) possano ricombinarsi al fine di favorire il processo di emissione stimolata; tale regione è ottenuta mediante la formazione di una giunzione p-n che ora, per semplicit à, consideriamo formata a partire dallo stesso materiale (omogiunzione).

Affinchè tale fenomeno si origini e, soprattutto, si mantenga é necessario però un apporto energetico esterno che provveda, nella fase iniziale, a portare i portatori di carica ad un livello energetico superiore e successivamente a far si che il loro numero non diminuisca nel tempo. Ciò lo si ottiene attraverso un processo fisico, denominato pompaggio, realizzato grazie alla polarizzazione diretta della giunzione. Quando la tensione esterna é sufficientemente elevata vengono iniettati nel dispositivo un numero di portatori tali da raggiungere la cosiddetta inversione di

popolazione e cioè una condizione in cui la concentrazione di

elettroni in banda di conduzione e di lacune in banda di valenza é molto grande e quindi

elevato sarà anche il numero di coppie elettrone -lacune disponibili per la ricombinazione.

La corrente corrispondente alla tensione di polarizzazione per cui si verifica l’inversione viene detta corrente di soglia e rappresenta un parametro importante del laser, in quanto determina il valore minimo di corrente in ingresso necessario per instaurare nel dispositivo il processo di conversione elettro -ottica.

In un mezzo in cui è in atto l’inversione di popolazione, scelto opportunamente in modo da presentare un decadimento di tipo radiativo, tale ricombinazione provoca il decadimento spontaneo dell’elettrone ad un livello energetico inferiore. Questo porta alla conseguente emissione di un fotone avente una lunghezza d’onda ben definita e, come visto nel paragrafo precedente, legata all’entità del gap energetico esistente fra le bande di conduzione e di valenza.

Il fotone così originato attraversa il materiale e funge come stimolo per la creazione di altri fotoni identici (stessa fase, frequenza, direzione) come visto a proposito dell’emissione stimolata, instaurando un meccanismo di generazione a catena. Tali flussi di particelle derivanti da differenti stimoli spontanei iniziali sono però fra loro reciprocamente incoerenti in quanto originati a seguito di diversi decadimenti atomici (caratterizzati da diversi gap energetici) e perciò non idonei ad instaurare una radiazione in risonanza; per superare questo problema l’intera struttura viene confinata all’interno di un risonatore ottico.

Il risonatore ottico, o cavità risonante, nella sua

configurazione più semplice, é costituito da una coppia di specchi posti agli estremi del mezzo attivo, in grado di selezionare in frequenz a le oscillazioni che si vengono a creare al suo interno. Solitamente, uno degli specchi é realizzato con una riflettività prossima al 100% (in corrispondenza della lunghezza d’onda operativa del laser), mentre l’altro, lo specchio di uscita, ha una

trasmettività non nulla in modo tale che la luce possa essere trasmessa all’esterno della cavità per fornire il fascio laser.

La sua funzione é quella di riflettere ed amplificare quei fotoni contraddistinti da una frequenza corrispondente a quella di selettività del risonatore e di abbattere tutti gli altri, permettendo cosi, a seguito delle varie riflessioni agli specchi, il mantenimento e l’amplificazione di una radiazione di tipo coerente.

In una omogiunz ione, come quella fino ad ora esaminata, lo spessore della zona attiva in cui avviene la ricombinazione é molto piccola e non si hanno meccanismi di confinamento delle cariche al suo interno. Per ovviare a questo, le semplici giunzioni p-n sono state sostituite dalle eterogiunzioni, dove un materiale a piccola band-gap viene confinato tra due strati di materiale a gap maggiore e drogati differentemente (doppia eterogiunzione).

In una doppia eterogiunzione, i portatori di carica iniettati vengono confinati nello strato centrale, detto strato attivo, grazie alle barriere di potenziale che si formano sia per il differente drogaggio, sia per il suo minor gap rispetto a quello dei materiali adiacenti (vedi Figura 3.2.2).

Figura 3.2.2 Doppia eterogiunzione

Allargando la regione attiva perciò, vengono consentiti anche valori di corrente di soglia più bassi.

Un’importante estensione delle eterostrutture si ottiene quando, per effetto di un’opportuna riduzione dello spessore della regione attiva, si riesce a rendere quantizzati i livelli di energia dei portatori all’interno delle barriere di potenziale definite dall’eterostruttura (vedi Figura 3.2.3). Si parla per questo di strutture quantum wells o multiple quantum wells (MQW).

Figura 3.2.3 Struttura Multimple Quantum Wells

I laser di questo tipo presentano guadagni maggiori e correnti di soglia minori rispetto ai laser convenzionali e, ad oggi, sono i dispositivi più utilizzati per realizzare laser a semiconduttore.