Pozo cu´ antico (QW)

La idea de utilizar estructuras de QW para la construcci´on de diodos l´aser ya hab´ıa sido propuesta a principios de los a˜nos 60 del siglo XX por Herbert Kroemer [Kroemer63]. En estas ´epocas tempranas ya se hab´ıa observado que la reducci´on de las dimensiones de la zona activa provocaba la aparici´on de niveles de energ´ıa discretos y, de esta forma, se pod´ıa conseguir l´aseres con una mayor eficiencia que los de heteroestructura existentes en esos momentos. Para la construcci´on de los primeros l´aseres basados en estructuras de QW que mostrasen ventajas reales fue necesario esperar hasta principios de los a˜nos 80 del siglo XX para que se desarrollasen t´ecnicas de crecimiento como la epitaxial por haces moleculares (MBE, del ingl´es Molecular Beam Epitaxy) o las de deposici´on qu´ımica metalorg´anica de vapor (MOCVD, del ingl´es Metal Organic Chemical Vapor Deposition) que permitieron el desarrollo tecnol´ogico de estos dispositivos, propiciando as´ı su adopci´on masiva.

La introducci´on de estructuras de QW en los diodos l´aser produce que la funci´on que describe la densidad de estados electr´onicos de los portadores pase a ser discreta debido al confinamiento que se introduce, como se puede deducir a partir de la expresi´on (2.44). En un material sin confinamiento de portadores la densidad de estados crece de forma continua con la energ´ıa, ecuaci´on (2.43) y figura 2.5(a), mientras que cuando existe un QW la densidad de estados pasa a crecer en escalones discretos, ecuaci´on (2.44) y figura 2.5(b), produciendo la aparici´on de subniveles de energ´ıa. Esta diferencia en la densidad de estados produce importantes cambios en las propiedades de emisi´on ´optica de los l´aseres. La primera diferencia aparece en el proceso de llenado de los niveles electr´onicos necesarios para alcanzar la emisi´on l´aser, en los l´aseres en los que no existe confinamiento cu´antico de los portadores es necesario llenar todos los niveles de energ´ıa inferiores antes de que se pueda producir la emisi´on l´aser, en el caso de los de QW la densidad el primer escal´on de estados se suele encontrar a una energ´ıa elevada desde la que se puede obtener emisi´on l´aser. A causa de esto es necesario inyectar una menor

cantidad de portadores y, por tanto, la densidad de corriente necesaria para alcanzar la condici´on umbral ser´a menor en los l´aseres de QW. Por otro lado, la reducci´on de los niveles electr´onicos en los QW provoca que el n´umero de estados disponibles a los que los portadores puedan ser excitados t´ermicamente disminuya, con lo que se obtiene un aumento de la estabilidad t´ermica de estos dispositivos. Adem´as, el aumento de la densidad de estados observado en el borde de la banda proporciona un incremento de la ganancia diferencial en este tipo de dispositivos frente a los que se construyen sin confinamiento cu´antico.

Al utilizar estructuras con QW tambi´en se consigue que la longitud de onda de emisi´on no se encuentre determinada ´unicamente por el material utilizado en la zona activa, sino que esta pasa a depender tambi´en del ancho del pozo utilizado. De este modo es posible construir dispositivos que pueden operar en diferentes longitudes de onda, consiguiendo aumentar el n´umero de aplicaciones en las que se pueden utilizar estos l´aser.

En el caso de que la constante de red del semiconductor utilizado en el interior del pozo sea significativamente diferente del material que le rodea se produce un tensionado (“strained”) del material del pozo. En estos dispositivos la constante de red del material utilizado en el interior del pozo se modifica para intentar coincidir con el de las capas que le rodean, produciendo al mismo tiempo una modificaci´on de la estructura de bandas de este. El tensionado puede ser por compresi´on de la red (“compressive strain”), cuando la constante de red del pozo es mayor que la de las capas que lo rodean, o mediante deformaci´on por tracci´on (“tensile strain”), cuando la constante de red del pozo es menor que el de las capas que le rodean. En los semiconductores tensionados la estructura de la banda de valencia se modifica al separarse las bandas de huecos ligeros y huecos pesados que se encuentran degeneradas en los materiales sin tensionar, como se muestra en la figura 2.6(a) [Derry95]. La introducci´on del tensionado cambia la masa efectiva tanto de los huecos ligeros como pesados, bajo tensionado por tracci´on el gap disminuye y la banda de huecos pesados cae por debajo de la de huecos ligeros, figura 2.6(b), bajo un tensionado compresivo el gap aumenta y la banda de huecos pesados cae por debajo de la banda de huecos ligeros, figura 2.6(c). Esta separaci´on de las bandas de valencia en los semiconductores tensionados permite obtener l´aseres con una menor corriente umbral ya que no es necesario poblar ambas subbandas de energ´ıa para alcanzar la condici´on de emisi´on umbral.

Existen dispositivos en los que la regi´on activa del l´aser se construye con m´ultiples QW, conocidos como l´aseres de pozo cu´antico m´ultiples (MQW, del ingl´es Multiple Quantum Wells) que ofrecen ciertas ventajas respecto a la utilizaci´on de un ´unico QW (a los que se les suele denominar como SQW, del ingl´es Single Quantum Well) como una mayor ganancia diferencial. En los l´aseres MQW con un n´umero n de QW, para una densidad de portadores dada, la ganancia ser´a aproximadamente n veces superior respecto a la de un l´aser SQW del mismo tipo de QW. Para alcanzar esta densidad de corriente ser´a necesario tambi´en aumentar la corriente inyectada puesto que el espesor de la regi´on activa tambi´en aumenta proporcionalmente al n´umero de QW utilizados, esto produce que los l´aseres de MQW tengan una mayor densidad de corriente umbral

k HH E LH BV kII ⊥ (a) k HH E LH BV kII ⊥ (b) k HH E LH BV kII ⊥ (c)

Figura 2.6: Diagramas esquem´aticos de la estructura de bandas de un semiconductor donde se muestra la banda de valencia (BV), la de huecos ligeros (LH) y huecos pesados (HH) para materiales (a) no deformado (b) bajo tensi´on por tracci´on y (c) bajo tensi´on por compresi´on.

que sus equivalentes SQW.

En la figura 2.7 se reproducen de Coldren et al. [Coldren12] los espectros calculados de ganancia en funci´on de la densidad de portadores para un l´aser de volumen de GaAs, un l´aser de QW de 80 ˚A de GaAs/Al0,2Ga0,8As y un l´aser de QW con tensi´on por compresi´on

de In0,2Ga0,8As/GaAs. En esta figura se pueden apreciar las diferencias existentes en los

diferentes espectros de ganancia de estos l´aseres, observando c´omo las estructuras de QW muestran una mayor ganancia para la misma densidad de portadores que los de volumen.