50 лет полупроводниковому лазеру: история и перспективы

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 лазеры
1961 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%
Спектр из работы Холла
2
2
 pe
 ph
 ( )    2  2


Два основных недостатка:
растекание носителей + плохой волновод (большие оптические потери)
Лазеры с двумя гетеробарьерами
Kroemer H 1963 A proposed class of hetero-junction injection lasers Proc. IEEE 51
1782–3
Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. «Полупроводниковый лазер с электрической
накачкой» Авт. свид. №181737. Заявка № 9508/26-25. Заявлено 30.03.1963
По сути эти работы явились вторым рождением полупроводникового лазера
поскольку кардинально улучшались его характеристики благодаря явлению
суперинжекции и волноводному эффекту.
Ey
electrons
Ec
p-GaAs
n-GaAs
InGaP
InGaP
Ev
holes
Refractive index
z
Жидкофазная эпитаксия
Технология 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
Рисунок из
Нобелевской лекции
Алферова
Плотность порогового тока
уменьшена до 940 А/см2
Пучковая и МОС-гидридная эпитаксии
Следующий 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
Лазеры телекоммункационного
диапазона 1.3-1.5 мкм - на основе InP c
КЯ InGaAs,
«Красные лазеры» на InGaP и AlGaAs
Реализация лазера на гетероструктуре II рода
GaInAsSb-GaSb – освоение диапазона 1.5- 4 мкм
Реализация лазеров на нитридах –
освоение диапазона
Arakawa Y, Sakaki H, Nishioka M, Okamoto H and Miura
N 1983 Spontaneous emission characteristics of quantum
well lasers in strong magnetic fields. An approach to
quantum-well-box light source Japan. J. Appl. Phys.
22 L804–6
Кроме 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
105
Jth (A/cm2)
104
4.3 kA/cm2
(1968) Impact of Double
Heterostructures
103
900 A/cm2
(1970)
Impact of
Quantum Wells
40 A/cm2 Impact of
(1988) Quantum
160 A/cm2
Dots
(1981)
19 A/cm2
10
(2000)
Impact of SPSL QW
6 A/cm2
(2002)
0
1960 65 70 75 80 85 90 95 00 2005
Years
102
Необычные лазеры. Лазер на Ge/Si
гетероструктуре
Квантовые каскадные лазеры
Идея : 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