Лазерные диоды

Полупроводниковые или диодные лазеры очень важны для многих применений. В них используются не уровни, а энергетические состояния нелокализованных электронов. В твердых телах энергетические уровни электронов группируются в зоны. При температуре абсолютного нуля в полупроводниках, все имеющиеся уровни заполняют одну зону (валентная зона), а последующие свободные уровни группируются в другой зоне (зона проводимости), которая совершенно не заполнена и отделена от валентной зоны некоторым промежутком энергий, для которых нет состояний. Этот интервал называется запрещенной зоной (энергетической щелью). В этих условиях материал не может проводить ток и является изолятором. Когда температура увеличивается и если зона проводимости расположена от валентной зоны не слишком высоко, термическое возбуждение достаточно, чтобы некоторые из электронов перескочили в зону проводимости. Поскольку там все уровни пустые, они способны обеспечить электрический ток. Однако из-за того, что их мало, величина тока невелика. Соответственно материал становится проводящим с плохой проводимостью, т.е. полупроводником. Электроны, которые способны поддерживать ток в зоне проводимости, оставляют вакантными состояния в валентной зоне. Эти вакантные состояния, которые называются дырками, ведут себя как положительно заряженные частицы и также участвуют в проводимости. В чистом полупроводнике термическое возбуждение производит электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне в равных количествах.

Электроны и дырки, способные поддерживать ток, называются носителями. Если по какой-либо причине в зоне проводимости оказывается больше электронов, чем следует по статистике Максвелла-Больцмана, избыток электронов падает на вакантные энергетические уровни валентной зоны и таким образом возвращается в валентную зону и там исчезает дырка. То же самое происходит, если, наоборот, больше дырок присутствует в валентной зоне, чем допускается данной температурой. Этот процесс называется рекомбинацией двух носителей. Он происходит, давая энергию, соответствующую величине интервала между двумя зонами, которая проявляется либо в виде механических колебаний решетки, либо в виде испускания фотона. В последнем случае переход называется излучательным, а энергия фотона соответствует разности энергий уровней в валентной зоне и в зоне проводимости, т.е., грубо говоря, равной энергии запрещенной зоны.

Некоторые полупроводники не вполне чистые. Примеси образуют энергетические уровни электронов внутри зон. Если эти дополнительные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости, термическое возбуждение заставляет их электроны перепрыгнуть в зону проводимости, где они способны поддерживать электрический ток. Уровни примеси остаются пустыми и, поскольку они фиксированы в материале, не способны поддерживать ток. В этом случае единственными носителями тока являются электроны в зоне проводимости, и полупроводник называется допированным n-типом («n» напоминает, что проводимость обеспечивается отрицательными зарядами). Наоборот, если уровни примеси располагаются вблизи верха валентной зоны, термическое возбуждение заставляет электроны из валентной зоны перепрыгнуть на эти примесные уровни, образуя тем самым дырки, которые способны поддерживать ток. Тогда полупроводник называется p-типом («p» — для положительного заряда). Возможно так допировать полупроводник, что получаются области как p-типа, так и n-типа с узкой промежуточной областью между ними. Этот промежуток между различными областями называется p-n-переходом. Если заставить ток протекать через этот переход, делая n область отрицательной и p область положительной, электроны инжектируются в этот переход. На основе этого свойства были изобретены в конце 1940-х гг. транзисторы, вызвавшие революцию в мире электроники.

Хотя полупроводники были известны давно, их физика была полностью понята только после изобретения транзистора в 1948 г. Можно тем самым понять, что были некоторые сомнения в возможности их использования для лазера. Во всяком случае полупроводники были первыми, рассмотренными как возможная среда для получения излучения путем стимулированного испускания. В то время были выдвинуты различные предложения. В 1954 г. Джон фон Нейман обсуждал с Джоном Бардиным (один из изобретателей транзистора) возможность использования полупроводников. Тремя годами позднее, в 1957 г., произошел подлинный взрыв. В Японии 22 апреля 1957 г. был выдан патент Ватанабе и Нишизава, в котором рассматривалось рекомбинационное излучение, получающееся при инжекции свободных носителей в полупроводнике. Позднее он был опубликован 20 сентября 1960 г. Патент назывался «полупроводниковый мазер», и, как пример, рассматривалось рекомбинационное свечение в теллуре на длине волны около 4 мкм, т.е. в ближнем ИК-диапазоне. Авторы наивно рассматривали полупроводник, помещенный в резонаторе, типичном для микроволновой области. Но концепция использовать инжекцию носителей и их рекомбинационное излучение была озвучена. В Линкольновской лаборатории MIT физик Бенжамен Лэкс провел в 1957 г. семинар с участием Пьера Эгрэна (1924—2002) из Парижа, и начались исследования переходов в группе энергетических уровней, которые возникают, когда полупроводник помещается в сильное магнитное поле (подобные тем, что работают в трехуровневом мазере Бломбергена). Идеи Эгрэна были представлены на международной конференции по физике твердого тела в электронике и телекоммуникациям. Она проходила в 1958 г. в Брюсселе, и на ней обсуждалась возможность использования полупроводников для продвижения мазерного эффекта в область оптических частот. Однако труды этой конференции не были опубликованы.

В бывшем Советском Союзе группа ученых Института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) АН СССР, возглавляемая Н.Г. Басовым, в составе Б.М. Вула и Ю.М. Попова, начала в 1957 г. рассматривать возможность использования полупроводников для продвижения излучения мазера в оптический диапазон. Басов начал рассмотрение этой проблемы вместе с Поповым, который тогда работал в лаборатории люминесценции. Оба исследователя познакомились, когда были студентами в МИФИ. Физика полупроводников изучалась в ФИАНе в лаборатории полупроводников, которой руководил Бул. Поэтому он, естественно, принимал активное участие. В результате сотрудничества этих трех ученых появилось предложение лазерной системы с использованием электрического разряда. Оно было опубликовано в июне 1958 г. и обсуждалось Басовым на Западе на Первой конференции по квантовой электронике, организованной Таунсом в США. Этой работы не было в программе, и она была представлена на обеде (полупроводниковый лазер, работающий на этом принципе, был создан много позже, в 1968 г., в группе Басова). Позднее, в 1960-61 гг., эта группа предложила еще три метода возбуждения: электронный пучок, оптическая накачка и инжекция электронов через p-n-переход. Авторами этих предложений были Н.Г. Басов, Ю.М. Попов и О.Н. Крохин. Выполнялись также экспериментальные исследования. В 1959 г, в ФИАНе под руководством Басова была начата программа «Фотон», которая была первой научной программой в СССР по разработке лазеров.

Возможность использования полупроводников рассматривалась в США и обсуждалась в 1959 г. в MIT Кромером и Цайгером. В 1960 г. Бойль и Томас из Bell Labs получили патент на использование полупроводников для создания лазера.

Тем временем, в 1961 г., двумя французскими исследователями М. Бернардом и Г. Дурафургом из Национального исследовательского центра телекоммуникаций (CNET) был получен важный теоретический результат. Они представили полное и исчерпывающее обсуждение, из которого следовала возможность вынужденного излучения в полупроводниках благодаря переходам между зоной проводимости и валентной зоной. Были получены фундаментальные соотношения, из которых следовала возможность получить лазерный эффект. Они также рассмотрели некоторые материалы, в которых можно ожидать выполнение нужных условий, и предложили среди других материалов полупроводники GaAs (арсенид галлия) и GaSb (антимонид галлия). После публикации этой работы многие группы начали активные исследования. В январе 1962 г. российский ученый Д.Н. Наследов и его коллеги из Физико-технического института АН СССР (г. Ленинград) сообщили, что ширина линии излучения, испускаемого GaAs-диодами, демонстрирует некоторое уменьшение ширины при увеличении тока. Они предположили, что это могло указывать на вынужденное излучение. В США несколько групп из IBM, RCA, Линкольновской лаборатории MIT и General Electric (GE) начали соревновательную гонку, которая коротко описывается здесь.

В Ватсоновском исследовательском центре IBM P. Ландауер сформировал в 1961 г. небольшую группу для изучения проблемы систематическим путем. В. Думке из IBM показал, что простые (элементарные) полупроводники, такие как кремний и германий, которые широко используются в электронике, не пригодны из-за их структуры зон, и предложил использовать более сложные в структурном отношении полупроводники (полупроводниковые соединения), такие как арсенид галлия. У них минимум энергии зоны проводимости совпадает с максимумом валентной зоны (прямозонные полупроводники). В IBM были хорошие условия для изучения, поскольку уже началась программа для применений арсенида галлия в электронике.

Изучением полупроводниковых соединений, особенно арсенидом галлия, занимались также в General Telephone and Electronics Laboratories (GT&E). Здесь работала группа С. Мэйбурга. В марте 1962 г. он представил на заседании Американского Физического Общества работу по электролюминесценции GaAs диодов при 77 К, т.е. излучение этих диодов, охлажденных до температуры жидкого азота, при пропускании электрического тока. Было показано, что при определенных условиях почти каждый заряд, инжектированный через p-n-переход, дает фотон. Это был результат, аналогичный тому, что получил Мейман для рубина (высокая квантовая эффективность) и указывал, что p-n-переходы являются идеальной системой, для получения лазерного эффекта.

Ж. Панков из RCA провел 1956—1957 гг. в Париже, работая с Эгрэном. Возвратившись из Франции, он начал исследования, но без финансовой поддержки, поскольку начальство не рассматривало полупроводниковые лазеры выгодным объектом. В январе 1962 г. на конференции Американского Физического Общества Панков объявил о наблюдении рекомбинационного излучения из переходов арсенида галлия. Мэйбург почувствовал, что его могут опередить, и удвоил усилия.

В IBM, после семинара с Мэйбургом, теоретик Г. Лашер стал изучать вопрос, как сделать резонатор для полупроводникового лазера, а в то же время в соседней лаборатории в Йорктаун Хейтс М. Думке стал размышлять, как сделать лазер на арсениде галлия.

В июле 1962 г. результаты Мэйбурга обсуждались на Конференции по исследованиям твердотельных устройств в университете Нью-Гемпшира и Р. Кейс и Т. Квист из MIT сообщили, что они создали диоды арсенида галлия с люминесцентной эффективностью, которую они оценивают в 85%. Панков в мае представил подобные же результаты на другой конференции. В MIT люминесценция, излучаемая диодом, использовалась для передачи телевизионного канала, о чем было сообщено в New York Times.

На этом этапе четыре группы пустились в гонку. Р. Холл из GE принимал участие в конференции в Нью-Гемпшире и был поражен представленными результатами. На него сильное впечатление произвела высокая эффективность излучения p-n-переходов арсенида галлия, и, возвращаясь, он еще в поезде стал делать расчеты и размышлять, как получить резонатор Фабри—Перо. Идея была: взять p-n-переход, обрезать и отполировать его грани. Холл был астрономом-любителем и в школе сам построил телескоп, он знал, как можно отполировать оптические компоненты. В настоящее время резонаторы полупроводниковых лазеров получают скалыванием кристалла в нужном направлении, но в то время он не знал о такой методике. После некоторых обсуждений он получил разрешение начальства начать работу над проектом. Принципиальной трудностью было изготовление перехода GaAs, который должен был удовлетворять определенным критериям, а именно, сильно допирован. Вторая трудность была вырезать и отполировать грани так, чтобы они были параллельными друг другу. Затем следовало пропустить очень большой ток через переход, чтобы инжектировать достаточное число электронов. Ток должен был быть в виде импульса с короткой длительностью, чтобы не расплавить образец. Чтобы предотвратить чрезмерный рост температуры, следовало использовать охлаждение жидким азотом (77 К).

Хотя Холл был последним, включившимся в гонку, он оказался первым, правда на короткое время, и получил в сентябре 1962 г. первый лазерный диод. Бернард (из Франции) несколько раз посещал лабораторию Холла, обсуждая возможность полупроводниковых лазеров. Во время одного из визитов он появился как раз, когда группа Холла получила результат, но еще не оформила его для публикации. Поэтому достижение держалось в секрете. У Холла возникла проблема, как обсуждать возможность сделать лазер, не сообщая Бернарду, что он уже работает в соседней комнате.

Конференция в Нью-Гемпшире вдохновила также Н. Холоньяка из GE, эксперта по арсениду галлия. Когда первый диод заработал, почти одновременно несколько групп объявили о лазерном действии на p-n-переходах GaAs. Во всех случаях использовалось охлаждение до 77 К, а накачка производилась импульсами тока высокой интенсивности с короткой длительностью (несколько микросекунд). О лазере группы GE было объявлено в работе от 24 сентября 1962 г.; о втором лазере группы М. Натана из IBM Йорктаун Хейтс было объявлено 4 октября; а о третьем из Линкольновской лаборатории MIT — 23 октября. Холоньяк сообщил о своем лазере 17 октября. Все эти лазеры были сделаны на переходе арсенида галлия, охлаждались жидким азотом, и накачивались интенсивными импульсами тока длительностью несколько микросекунд.

Устройство Холла (рис. 60) представляло куб со стороной 0.4 мм, с переходом, расположенным в горизонтальной плоскости, в центре. Передняя и задняя грани были отполированы параллельно друг к другу и перпендикулярно к плоскости перехода, образуя резонатор Фабри—Перо (арсенид галлия обладает высоким показателем преломления, поэтому френелевское отражение на границе полупроводник—воздух дает достаточно высокий коэффициент отражения). При такой геометрии получается относительно длинный путь в области перехода, где инжектированные носители рекомбинируют и испускают свет, распространяющийся взад-вперед между отполированными гранями (зеркалами резонатора). Лазер работал при подаче импульсов тока длительностью 5—20 мкс, причем полюс тока подавался на p-допированную сторону перехода, а минус на n-допированную сторону. Диод помещался в жидкий азот. Когда ток достигал очень большого значения, 8500 А/см², возникала лазерная генерация, что проявлялось в резком увеличении испускаемого излучения и в сужении спектральной линии от 125 до 15 А°.

Рис. 60. Схема полупроводникового лазера на p-n-переходе простейшего типа. Лазерное излучение испускается в тонком активном слое между p и n зонами, и отражается взад и вперед параллельными гранями F₁, F₂, которые действуют как зеркала резонатора

Натан работал с несколько отличной системой, используя переход без резонатора. Порог, достигаемый при температуре жидкого азота, очевидно, был выше между 10 000 и 100 000 А/см². Т. Квист из MIT использовал структуру 1,4x0,6 мм2 с отполированными короткими гранями. При температуре жидкого азота порог был около 1000 А/см². Наконец, Холоньяк использовал переход соединения арсенида галлия с фосфидом. Используя этот материал, удалось получить генерацию при 6000—7000 А/см² вместо 8400 А/см², когда использовался простой образец GaAs.

В России (СССР), вскоре после создания лазеров в США, В.С. Багаев, Н.Г. Басов, Б.М. Вул, Б.Д. Копыловский, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, А.П. Шотов и др. создали лазерный диод в ФИАНе. Этот результат обсуждался на 3-й Международной конференции по квантовой электронике в Париже, в 1963 г.

Первые лазеры делались из одного и того же материала с переходом между n и p частями. Они имели высокие пороги. В 1963 г. X. Кромер предложил использовать гетеропереходы, в которых полупроводник с относительно узкой запрещенной зоной располагается между двумя слоями полупроводника с более широкими запрещенными зонами (сэндвич-структура). В то же время аналогичное предложение сделали Ж.И. Алфёров и Р.Ф. Казаринов из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (г. Ленинград). Российские ученые не опубликовали свое предложение. Прошло шесть лет, прежде чем в Bell Labs и в RCA были разработаны первые гетероструктурные лазеры. К тому времени Алфёров и его сотрудники разработали более сложные многослойные структуры, которые сегодня известны как лазеры с двойной гетероструктурой. Усилия Ж. Алфёрова и X. Кромера были отмечены Нобелевской премией по физике в 2000 г. «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной электронике и в оптоэлектронике» вместе с Джеком Килби «за его вклад в изобретение интегральной схемы».

Ж.И. Алфёров родился в Витебске (Белоруссия) в 1930 г. Он окончил Электротехнический институт им. В. И. Ленина (Ленинград) в 1952 г. и в 1953 г. поступил в Физико-технический институт. С 1987 г. он директор этого института. Алфёров — академик РАН и депутат Государственной Думы.

Герберт Кромер родился в Веймаре (Германия) в 1928 г. и получил докторскую степень в университете Гёттингена в 1952 г. за диссертацию, посвященную только появившимся тогда новым транзисторам. В 1968 г. он стал работать в университете Колорадо, а с 1976 г. — в университете Калифорнии (Санта Барбара).

Разработка полупроводниковых лазеров тормозилась по нескольким причинам. Необходимо было разработать новую технологию для работы с полупроводниками, учитывая, что хорошо разработанная технология для кремния не годится. Проблемой также была необходимость работы с короткими импульсами большого тока при низких температурах. По этой причине КПД лазеров был низок. Значительный шаг вперед в решении этих проблем был сделан в 1969 г. путем введения гетероструктур, В гетероструктурном лазере простой p-n-переход заменяется многослойной структурой полупроводников разного состава (рис, 61). Активная область уменьшается по толщине, и ток, требуемый для лазерной генерации, существенно уменьшается, что соответственно уменьшает выделение тепла. Это приводит к тому, что уже не требуется охлаждение, и лазер может работать при комнатной температуре.

Рис. 61. Природный лазер в звезде MWC349. Лазерное излучение происходит в диске водорода, ближайшего к звезде, а мазерное излучение получается в более отдаленных областях. Излучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости

Два фактора сильно способствовали преобразованию полупроводниковых лазеров из лабораторных устройств, работающих при очень низких температурах в практичные оптоэлектронные устройства, способные работать непрерывно при комнатной температуре. Первое исключительное и счастливое сходство решеток, содержащих арсенид алюминия (AlAs) и арсенида галлия (GaAs), что позволяет изготавливать гетероструктуры из слоев разной композиции соединение типа A_xGa_1—xAs. Второе многие важные применения, для которых полупроводниковые лазеры оказываются особенно пригодными из-за их особенностей: малые размеры (несколько кубических миллиметров), высокий КПД (обычно не менее 50%), накачка непосредственно электрическим током, долговечность по сравнению с другими типами лазеров.

Тот факт, что лазер непосредственно накачивается током, позволяет модулировать выходное излучение, простой модуляцией тока. Эта особенность идеальна для систем передачи информации.