Как создавались полупроводниковые лазеры. Часть II
Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается.
Русская пословица
(Начало здесь.)
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.
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.
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.
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).
…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.
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.
