Как создавались полупроводниковые лазеры. Часть II Печать
Новости об инновациях
22.10.2015

К 1962 году стало понятно, что p-n переход может быть использован как лазер. Но при этом он потреблял огромный ток, и поэтому мог работать только в жидком азоте – иначе быстро наступал перегрев. Сегодня мы узнаем, как лазеры научились работать при комнатной температуре и как далеко они ушли от своих прародителей.

Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается.
Русская пословица

(Начало здесь.)

От p-n перехода к гетероструктурам

Лемма Крёмера о непонимании
Если при обсуждении проблем физики полупроводников вы не можете нарисовать энергетическую зонную структуру, значит вы не понимаете, о чем вы говорите.
Отсюда следует, что если вы можете ее нарисовать, но не делаете этого, значит ваши слушатели не понимают, о чем вы говорите.

Одной из проблем первых лазеров (как и всей полупроводниковой техники 50-х – начала 60-х годов) было то, что электрические заряды не удавалось локализовать в одной области. Из-за этого они «расплывались» по всей структуре.

Зонная структура первого лазера посередине p-n перехода. Электроны проскакивают рабочую область и утекают вправо. Дырки, соответственно, влево.

«Расплывшиеся» электроны и дырки не просто терялись впустую, но вдобавок еще нагревали структуру. Само собой, это вело к увеличению рабочего тока и перегреву прибора, а еще уменьшало его быстродействие. На это обращает внимание Герберт Крёмер, предлагающий каким-либо образом «изогнуть» зонную структуру, чтобы распространение носителей ограничивалось каким-нибудь барьером:

После нескольких безуспешных попыток появилось простое решение: использовать границу двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. В этом случае более широкозонный полупроводник будет выступать барьером как для электронов, так и для дырок:

Синие стрелки – широкозонный полупроводник; красная стрелка – узкозонный.

Позже выяснилось, что эта идея уже была предложена Уильямом Шокли в 1948 году. Он называл ее «широкозонный эмиттер», Крёмер же предложил название «гетеропереход» или «гетероструктура», так как барьер образовывался ничем иным, как границей двух разных материалов.

Итак, с появлением гетероперехода носители больше не утекают «вдаль». Но они все еще могут возвращаться обратно, что тоже не несет пользы. А что, если ограничить и движение обратно, добавив второй гетеропереход с другой стороны? Эта идея практически одновременно приходит в голову как Крёмеру, так и Жоресу Алфёрову с Рудольфом Казариновым из ФТИ имени Иоффе. Применение двойной гетероструктуры (ДГС) сулило снижение рабочего тока на пару порядков по сравнению с обычным p-n переходом.

Лазерный диод на двойной гетероструктуре. Электроны и дырки ограничены в пространстве и никуда не растекаются.

Лирическое отступление: как понимать зонные структуры

Зонные структуры – это прекрасно, но хочется понять, чему они соответствуют в реальном лазере. В принципе, для понимания нужно помнить только одну вещь: любой лазер состоит из нескольких слоев, и на зонной структуре эти слои рисуются справа налево. Скажем, вышеупомянутая двойная гетероструктура:

состоит из трех слоев: сначала (слева) идет слой n-полупроводника (из него приходят электроны), затем – активная область из материала с меньшей шириной запрещенной зоны (в нем электроны и дырки локализуются), и потом – слой p-полупроводника. То есть это как бы p-n переход, в середину которого встроен узкий активный слой. В реальности это выглядит примерно так:

Снизу вверх: n-слой (красный), активный слой (желтый), p-слой (синий). Сверху и снизу приделаны электроды; нижний обычно также служит теплоотводом. Электроны и дырки падают в активный слой и там рекомбинируют; лазерное излучение идет именно из этого слоя.

Концепция ДГС-лазера была очень простой, но реализовать такой переход на практике оказалось делом весьма нетривиальным. Про основную причину я писал в рассказе про синие светодиоды: переход от одного полупроводника к другому должен происходить без нарушения кристаллической решетки. Это значит, что постоянные решеток (т.е. расстояние между атомами) двух полупроводников должно быть почти одинаковым. В 60-е годы разные полупроводники только начинали изучать, и даже постоянные решеток многих из них были неизвестны. Поэтому по обе стороны океана учёные были заняты поиском «оптимальной пары» полупроводников с одинаковыми постоянными решеток, чтобы без проблем вырастить слой одного из них на другом. Это заняло целых пять лет по довольно забавным причинам, которые нельзя не упомянуть.

В институте Иоффе довольно быстро поняли, что оптимальной парой являются арсенид галлия с арсенидом алюминия (GaAs-AlAs). Но оказалось, что AlAs химически нестабилен в воздухе из-за водяных паров. Нестабилен до такой степени, что исследовать его приходилось в керосине! Так как на кону стояла работа лазера в нормальных условиях при комнатной температуре, то от AlAs сразу отказались и перешли на чуть менее перспективную пару GaAs-GaAsP. GaAsP – это троичное соединение, по сути, GaAs, в котором часть атомов мышьяка (As) заменена фосфором (P).

Через два года стало понятно, что GaAs-GaAsP лазер в принципе работает, но только при криогенных температурах. Из-за неидеального согласования постоянных решеток все попытки работы при комнатной температуре оборачивались неравномерным тепловым расширением и распространением дефектов на гетеропереходе. По сути, при включении тока лазер просто трескался по границе двух материалов.

В этот момент выяснилось, что за пару лет до этого кто-то в институте выращивал кристаллы AlGaAs, которые за ненадобностью оказались в письменном столе. Из-за большого содержания алюминия считалось, что за это время они должны разложиться во влажном воздухе. Поэтому новость о том, что за пару лет с кристаллами ничего не случилось, была весьма неожиданной: значит, что AlAs становится стабильным при добавлении небольшого количества галлия! (Стоит добавить, что сегодня возможно работать и с чистым AlAs: его тонкий слой, зажатый между двумя другими материалами, контактирует с воздухом только по очень тонкому краю и поэтому практически не разрушается.) Группа Алфёрова переключается на работу с парой GaAs-AlGaAs, и к 1968 году создает первый в мире лазер, работающий при комнатной температуре.

Проблема групп, работавших в США (RCA, IBM, Bell Labs) оказалась гораздо прозаичнее: они пользовались одними и теми же табличными данными для постоянных решеток, в которых значение для AlAs было неверным. Из-за этого пара GaAs-AlAs ими в принципе не рассматривалась, что задержало исследования на несколько лет! Первыми из американских групп пригодность системы GaAs-AlGaAs показали Руппрехт и Вудол из IBM.

Чуть позже выяснилось, что у ДГС есть еще одно интересное преимущество. Узкозонный полупроводник (который посередине) обычно обладает более низким показателем преломления, чем широкозонный. Это значит, что он играет роль оптоволокна: свет, излученный в узкозонном слое, не идет во все стороны, а остается в нем до выхода из структуры. Это заметно увеличивает КПД лазера. Таким образом ДГС локализует не только электроны с дырками, но и излученный свет!

Создание гетероструктур оказалось гигантским прорывом в микроэлектронике. Он не остался незамеченным: за создание ДГС Алфёров и Крёмер были удостоены Нобелевской премии в 2000 году. Шокли получил свою Нобелевскую премию гораздо раньше – в 1956 году, за открытие транзистора.

Полосковая геометрия

Лазер, сделанный Алфёровым с коллегами, работал при комнатной температуре, но был импульсным. Следующей задачей было сделать лазер, работающий непрерывно. Основная проблема по-прежнему заключалась в теплоотводе: при непрерывной работе центральная часть лазера попросту перегревалась. К решению подходили с разных сторон: американские группы пытались приделать к лазеру эффективный алмазный теплоотвод, советские – использовать лазер не квадратной, а узкой вытянутой формы. Оба подхода оказались успешными, но второй – создание лазеров

полосковой геометрии

  • оказался гораздо практичнее. Для него не нужен был алмаз, а обработка кристалла была гораздо проще.

Лазер с полосковой геометрией. Активная область представляет собой узкую длинную полосу, от которой хорошо отводится тепло.

Лирическое отступление: увеличиваем мощность

Можно расположить рядом несколько полосок, таким образом увеличив мощность лазера. Это решение чем-то напоминает многоядерные процессоры: чтобы слишком большой и плотно «нафаршированный» чип не перегревался, его можно разбить на несколько чипов поменьше. По большому счету, такие лазеры производятся по той же технологии, что и интегральные схемы. Что любопытно, вторая половина Нобелевской премии 2000 года была вручена именно за создание интегральных схем; получил ее Джек Килби из Texas Instruments.

Резонатор

В первой части мы узнали, что для создания зеркала можно отшлифовать края кристалла или просто аккуратно сколоть их. Еще можно поставить или приклеить зеркала снаружи – и, казалось бы, на этом идеи исчерпаны. Отнюдь! В 1971 году группа Алфёрова предложила использовать периодическую решетку, нанесенную на верхнюю плоскость активного слоя.

Удивительно то, что эта решетка не перпендикулярная лазерному лучу (как привычные нам зеркала), а параллельна ему! Несмотря на это, такая решетка не просто работает как эффективный резонатор, но и выдает хорошо сколлимированный лазерный луч. Называется это лазером с распределенной обратной связью .

Квантовые ямы

Давайте сближать две границы ДГС, уменьшая толщину активного слоя. C определенного момента близость барьеров с двух сторон начнет существенно влияет на поведение электрона. Это связано с квантованием движения электрона, поэтому такой объект называется квантовой ямой .

Главной особенностью квантовой ямы является то, что электроны не могут находиться на самом дне. Самый нижний уровень, на котором они могут располагаться (на рисунке Е1), называется основным ** (или первым) **энергетическим уровнем квантовой ямы и находится заметно выше ее дна. А еще электрон может сидеть на более высоких энергетических уровнях – втором, третьем и так далее. Чем-то напоминает разные электронные орбитали в атомах.

А теперь самое интересное: глубина основного уровня может меняться в зависимости от ширины квантовой ямы. То есть сделали слой квантовой ямы пошире – уровень опустился глубже; поуже – уровень поднялся вверх:

Квантовые ямы разной ширины. Шире яма – ниже уровень, и наоборот.

Получается, немного изменяя ширину квантовой ямы, можно аккуратно подстраивать энергию лазерного перехода, а значит, и длину волны излучения! Эта новая степень свободы открыла простор для создания лазеров с практически произвольной длиной волны (разумеется, в разумных пределах).

Лирическое отступление: рост кристаллов

Сегодня технологии роста кристаллов с произвольными толщинами слоев на основе GaAs хорошо отлажены. Но в каком-то смысле это дело небезопасное: и галлий, и мышьяк весьма ядовиты. В некоторых техпроцессах используется арсин (AsH3), еще более ядовитый газ со слабым запахом чеснока. Разумеется, на производстве стоят детекторы на утечку, но опытные технологи знают: если запахло чесноком – быть беде.

…Как-то раз в одном НИИ в ночь на первое апреля, когда все технологи уже разошлись по домам, один шутник решил намазать баллоны с арсином чесноком. С утра технологи вошли в помещение, вдохнули… Говорят, эвакуацию и вправду объявили, а что технологи сделали с шутником, история умалчивает :).

Квантово-каскадный лазер

Лазер излучает свет, когда электрон падает с более высокого энергетического уровня на более низкий. Например, из зоны проводимости в валентную зону (как все лазеры, рассмотренные выше). Или, скажем, с третьего уровня в квантовой яме на первый:

Интересная идея, не правда ли? Осталось как-то загнать электрон на верхний уровень. Наиболее эффективным оказалось использовать туннелирование из соседней квантовой ямы (подобная идея была предложена Рудольфом Казариновым и Робертом Сурисом из института Иоффе в 1971 году). Еще лучше получится, если поставить рядом много квантовых ям, чтобы электрон двигался из одной в другую, излучая свет:

Синие стрелочки – туннелирование из соседней ямы, красные – излучение света. Зонная структура сильно наклонена из-за приложенного напряжения.

Как видно, электрон поочередно излучает фотон и туннелирует в соседнюю яму, проходя несколько таких каскадов. По этой причине лазер назвали квантово-каскадным. Из схемы видно, что для его работы нужно точно согласовать энергетические уровни во всех квантовых ямах, что не так-то просто. Впервые это удалось Федерико Капассо и коллегам из AT&T в 1994 году.

Из особенностей квантово-каскадного лазера стоит отметить, что один электрон позволяет получить несколько фотонов, по одному на каскад. Это, несомненно, повышает КПД лазера. А еще расстояние между уровнями квантовой ямы очень невелико, поэтому излученный фотоны имеют большую длину волны. Это позволяет создавать эффективные лазеры, излучающие в ближнем и среднем ИК диапазоне.

VCSEL

У всех вышеупомянутых лазеров излучение распространяется перпендикулярно p-n переходу. В принципе, никто не мешает сделать так, чтобы излучение и p-n переход были параллельны. Для этого нужно немного изменить форму контактов и расположение зеркал. Получится примерно так:

*Лазер на основе GaAs-AlAs. Синие слоистые структуры (DBR) – многослойные зеркала, я про них как-то рассказывал. Красный слой между зеркалами – квантовая яма, т.е. активная область. Желтым показаны электроды, они контактируют с зеркалами, которые проводят ток к активной области. Верхний электрод кольцевой, чтобы пропускать свет через середину; нижний кольцевой, потому что по-другому его не сделать.

Справа-сверху – лазер глазами электронного микроскопа. Кто догадается, почему половина слоев зеркала почернела с одного края, тому плюсик :).*

Как видно из рисунка, этот лазер излучает свет не вбок, а вверх. Называется такая структура VCSEL – vertical cavity surface emitting laser, переводя дословно, поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором. Впервые эта идея была реализована в 1977 году группой Кеничи Ига из Токио, еще несколько лет потребовалось, чтобы оптимизировать лазеры. Преимущества того, что получилось, оказались впечатляющими:

— очень низкий рабочий ток

— низкая емкость перехода и, как следствие, высокое быстродействие

— возможность изготавливать зеркала и активную область за один этап техпроцесса

— возможность создания матрицы излучающих диодов на одном кристалле (причем, за тот же один этап техпроцесса!)

Матрица VCSEL.

Все эти свойства предопределили использование VCSEL в телекоммуникациях. Сейчас они уже применяются для передачи данных со скоростью 10 Гбит/с, исследуется возможность создания диодов на более высокие скорости – вплоть до 40 Гбит/с.

Лирическое отступление: немного лингвистики

В русском языке устоявшегося аналога термина VCSEL нет. Мне нравится аббревиатура

**ВИЛ **

  • вертикально излучающий лазер. Но чаще используют английский вариант с произношением «виксел» или «вексель». Иногда это приводит к казусам. Как-то раз в СМИ проскакивала заметка о новом производстве лазеров под рабочим названием «ВексельКом»; некоторые комментаторы предположили, что дело не обошлось без известного бизнесмена Вексельберга :).

А еще есть разновидность VCSEL, у которых нет верхнего зеркала – вместо него на каком-то расстоянии от лазера стоит внешнее зеркало. Их называют VECSEL – vertical external cavity surface-emitting laser. На слух названия не отличаются вообще! Я не знаю, как с этим борются англоговорящие, а по-русски VECSEL обычно называют дисковым лазером – его конструкция и правда сходна с обычными дисковыми лазерами.

Квантовые нити и квантовые точки

Как мы видели выше, квантовая яма – это очень тонкий слой полупроводника. Электроны, попавшие в нее, становятся по сути двумерными: они не могут вырваться вверх или вниз, но могут двигаться вперед-назад и влево-вправо. В начале 80-х годов появился вопрос: а можно ли дальше уменьшить размерность активной области (то есть сделать одномерный или нульмерный объект), и если да, то будет ли от этого какая-либо польза?

Двумерная, одномерная и нульмерная структуры.

Довольно скоро удалось изготовить такие структуры. Одномерную стали называть квантовой нитью или квантовой проволокой (“quantum wire”), нульмерную – квантовой точкой (“quantum dot”). Физика их оказалась крайне интересной; ну а что касается лазеров, то оказалось, что применение квантовых точек позволяет еще сильнее снизить рабочий ток лазеров. Их эффективность можно сравнить с предыдущими поколениями лазеров на наглядном графике:

Эволюция лазерных диодов. По вертикали – пороговый ток (чем меньше, тем легче заставить лазер работать). Три пунктира соответствуют трем поколениям технологий: двойные гетероструктуры, квантовые ямы, квантовые точки. Каждое следующее поколение снижало пороговый ток примерно на порядок.

Основной проблемой квантовых точек до сих пор остается сложность их изготовления: все полупроводниковые технологии уж слишком заточены под рост кристаллов «слой за слоем». Зато перед ними открываются невероятные перспективы, и энергоэффективные лазеры – лишь малая их часть. Точки в структурах типа VCSEL демонстрируют разнообразные квантовооптические эффекты; отдельно стоящие точки могут использоваться как источники одиночных и запутанных фотонов; их магнитные свойства позволяют рассматривать их как перспективные кубиты, и многое многое другое. Но это уже совсем другая история.

Источники

[1] Лекция Ж. И. Алфёрова в телепередаче «Academia», части первая и вторая .

[2] Нобелевские лекции по физике 2000 года в переводе журнала «Успехи физических наук» .

[3] Kenichi Iga “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: Its Conception and Evolution”, Jap. J. of Appl. Phys. 47 (1), 1 (2008).

Картинки отсюда: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/articles/2015/kak-sozdavalis-poluprovodnikovye-lazery-chast-ii