50 лет полупроводниковому лазеру: история и перспективы

Создание физических основ лазера

1900 г. М.Планк –постулат о дискретном поглощении и испускании, привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта

1916 г. – работа Эйнштейна по предсказанию вынужденного излучения.

1927-1930 гг – работы Дирака с квантовым обоснованием вынужденного излучения.

1928 г Р.Ладенбург и Г.Копферманн экспериментальное подтверждение существования вынужденного излучения и наблюдение инверсной населенности в неоновом разряде.

1940 г. В.Фабрикант, Ф.Бутаева – предложение использования вынужденного излучения среды с инверсией населенности для усиления излучения.

1950 г. А.Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 г.) – метод оптической накачки для создания инверсной населенности.

1952 г. Броссель, Кастлер, Винтер –создание инверсной населенности

1954 г. мазер на аммиаке - Ч.Таунс, теоретическое обоснование А.М.Прохоров и Н.Г.Басов (Нобелевская премия 1964 г)

1960 Т.Мейман первый оптический генератор на рубине

Первые полупроводниковые лазеры1961 г. Басов Н.Г., Крохин О.Н., Попов Ю.М. ЖЭТФ, 39, 1486 (1961) – предложении о создании инверсной населенности в прямосмещенном p-n переходе.1962 г. лазер на p-n переходе GaAs – четыре группы из США (GE из Schenectady,IBM, GE из Syracuse, MIT Lincoln Laboratory) почти одновременно! Импульсы тока 5-20 мкс, Е=77 К, полированные торцы, плотность порогового тока ~ 104 (8500) А/см2.

Характеристики первых лазеров

Мощность ~10 нВт, КПД <0.01%

2

2

2

2

)(

phpe

Два основных недостатка:

растекание носителей + плохой волновод (большие оптические потери)

Спектр из работы Холла

Лазеры с двумя гетеробарьерамиKroemer H 1963 A proposed class of hetero-junction injection lasers Proc. IEEE 51 1782–3Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. «Полупроводниковый лазер с электрической накачкой» Авт. свид. №181737. Заявка № 9508/26-25. Заявлено 30.03.1963По сути эти работы явились вторым рождением полупроводникового лазера поскольку кардинально улучшались его характеристики благодаря явлению суперинжекции и волноводному эффекту.

e lectrons

E y

holes

E c

E v

p-G aA sn-G aA s

InG aP InG aP

R efractive index

z

Жидкофазная эпитаксияТехнология жидкофазной эпитаксии была создана в RCA (Radio Corporation of America) в 1963 г. и в 1967 была усовершенствована для роста гетероструктур GaAs/AlGaAs несколькими группами в мире (в СССР – группой Алферова)Жидкофазная эпитаксия оказалась очень удачным методом для выращивания лазерных диодов GaAs/AlGaAs

Эти структуры позволили получить импульсную генерацию при комнатной температуре (Алферов 1968)

Первые полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре

Плотность порогового тока уменьшена до 940 А/см2

Рисунок из Нобелевской лекции Алферова

Пучковая и МОС-гидридная эпитаксииСледующий шаг в развитии лазерного диода можно было сделать только на основе более совершенной технологии. В 1968 г. эти технологии были предложены. Они позволяли в принципе контролировать толщины до нескольких ангстрем и делать любое количество слоев с разными составами

Лазер с квантовой ямой

Для облегчения создания инверсии активная область должна иметь малую толщину, а для обеспечения волноводного эффекта , необходимо, чтобы толщина волноводного слоя была не менее ~0.2 мкм. Решение этой проблемы – структура с различным ограничение для электронов и света. Однако, при этом уменьшается коэффициент перекрытия. Решение – квантовые ямы. В них коэффициент усиления обратно пропорционален толщине.Первый лазер с квантовой ямой (200А) создан MOCVD в 1978. Внешняя квантовая эффективность 80% , ширина полоска 4 мкм, мощность ~ 5мВт, непрерывный режим, Т=300 К, плотность порогового тока 1.5-2 кА/см2.Здесь есть кажущийся парадокс!

Лазеры с квантовыми точками

Формирование волновода в плоскости подложки

В первых лазерах волновод формировался ограничением тока (рис.2), потом были предложены структуры с захороненным гетеропереходом (рис. 7а) и полосковая структура (рис. 7б).

Распределенная обратная связь (РОС)

РОС позволяет провести селекцию продольных мод. Это приводит к обужению линии генерации и к большей температурной стабильности частоты генерации.

Расширение оптического диапазона

Реализация лазера на гетероструктуре II рода GaInAsSb-GaSb – освоение диапазона 1.5- 4 мкм

Лазеры телекоммункационного диапазона 1.3-1.5 мкм - на основе InP c КЯ InGaAs,

«Красные лазеры» на InGaP и AlGaAs

Реализация лазеров на нитридах –освоение диапазонаArakawa Y, Sakaki H, Nishioka M, Okamoto H and Miura N 1983 Spontaneous emission characteristics of quantum well lasers in strong magnetic fields. An approach toquantum-well-box light source Japan. J. Appl. Phys.22 L804–6Кроме того на этой системе вероятно будет основано освещение ближайшего будущего

Лазерные линейки и лазерные матрицы

Лазеры с вертикальным резонатором

Сверхнизкий пороговый ток• Высокое качество излучения• Монолитно-интегрированные зеркала• Планарная технология, тестирование на пластине, плотные массивы, интеграция на чипе

Лазеры на GaN

Исследование светодиодов на GaN началось в США в 60 годах, но диоды были крайне неэффективными из-за плохого качества GaN.

Nakamura создал MOCVD технологию выращивания качественного GaN и поэтому были созданы эффективные светодиоды (кпд. 10%) и голубые лазеры (430 нм). На основе гетероструктуры InGaN/AlGaN созданы лазеры работающие в диапазоне 360 -520 нм (сине-зеленый диапазон)

Уменьшение плотности порогового тока

4.3 kA /cm(1968)

2

900 A /cm(1970)

2

160 A /cm(1981)

2

40 A /cm(1988)

2

6 A /cm(2002)

2

19 A /cm(2000)

2

Impact of SPSL QW

105

104

103

102

10

01960 00 200565 70 75 80 85 90 95

Years

J th

2 (

A/c

m)

Impact of DoubleHeterostructures

Impact of Quantum Wells

Impact of Quantum

Dots

Необычные лазеры. Лазер на Ge/Si гетероструктуре

Квантовые каскадные лазерыИдея : Р.Ф.Казаринов, Р.А.Сурис ФТП, т.5, 797 (1971).

Реализация:

Jerome Faist; Federico Capasso, Deborah L. Sivco, Carlo Sirtori, Albert L. Hutchinson, and Alfred Y. Cho (April 1994). "Quantum Cascade Laser" Science 264 (5158): 553–556

Диапазон в среднем ИК: 3-25 мкм, в дальнем ИК: >60 мкм

Нерешенные проблемы

Увеличение скорости передачи

Увеличение мощности и КПД

Создание дешевых коммерческих лазеров на Si для межчиповой связи

Фазовая синхронизация лазеров в линейках

ТГц лазеры, работающие при комнатной температуре

Продвижение в ультрафиолетовый диапазон

Современный рынок лазеров