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 гг – работы Дирака с квантовым обоснованием вынужденного излучения г Р.Ладенбург и Г.Копферманн экспериментальное подтверждение существования вынужденного излучения и наблюдение инверсной населенности в неоновом разряде г. В.Фабрикант, Ф.Бутаева – предложение использования вынужденного излучения среды с инверсией населенности для усиления излучения г. А.Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 г.) – метод оптической накачки для создания инверсной населенности 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 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 ~ 10 4 (8500) А/см 2.

Характеристики первых лазеров Мощность ~10 нВт, КПД

Лазеры с двумя гетеробарьерами Kroemer H 1963 A proposed class of hetero-junction injection lasers Proc. IEEE –3 Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. «Полупроводниковый лазер с электрической накачкой» Авт. свид Заявка 9508/ Заявлено По сути эти работы явились вторым рождением полупроводникового лазера поскольку кардинально улучшались его характеристики благодаря явлению суперинжекции и волноводному эффекту.

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 Плотность порогового тока уменьшена до 940 А/см 2 Рисунок из Нобелевской лекции Алферова

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 Внешняя квантовая эффективность 80%, ширина полоска 4 мкм, мощность ~ 5мВт, непрерывный режим, Т=300 К, плотность порогового тока кА/см 2. 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 мкм Лазеры телекоммункационного диапазона мкм - на основе InP c КЯ InGaAs, «Красные лазеры» на InGaP и AlGaAs 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 нм (сине-зеленый диапазон)

Уменьшение плотности порогового тока

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"Quantum Cascade Laser" 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