ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
ДОКЛАД АКАДЕМИКА Ж.И. АЛФЁРОВА
Как сказал академик Ю.С. Осипов, можно считать, что лазерная физика началась с А. Эйнштейна. Действительно, в 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал работу, посвящённую излучению и поглощению на основе квантовой теории, и ввёл понятие "индуцированное излучение и вынужденные переходы". Это, безусловно, явилось фундаментом для развития и создания принципов действия лазеров. Разрабатывая квантовые стандарты частоты, A.M. Прохоров совместно с Н.Г. Басовым сформулировал основные принципы квантового усиления и генерации, которые были реализованы американскими учёными под руководством Ч. Таунса при создании первого мазера на молекулах аммиака в 1954 г.
Почему потребовалось после этого несколько лет для создания квантовых генераторов оптического диапазона? Дело в том, что нужно было решить две проблемы: разработать метод оптической накачки для создания инверсной населённости и резонатор в оптическом диапазоне. Обе эти проблемы были решены Н.Г. Басовым и A.M. Прохоровым. Благодаря теоретическим и экспериментальным исследованиям была обеспечена база, и американский физик Т. Майман в 1960 г. сделал первый оптический квантовый генератор на кристаллах рубина.
Н.Г. Басов и его ученики О.Н. Крохин и Ю.М. Попов в 1961 г. опубликовали работу "Предложения по созданию полупроводниковых инжекционных лазеров". В ней речь шла о том,
чтобы инверсную населённость получать путём инжекции — вырожденном р-п-переходе. Аналогичное предложение было выдвинуто практически независимо и одновременно Бернардом и Дюрафоржем во Франции.
В апреле 1962 г. появилась очень важная работа сотрудников Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР Д.Н. Наследова, С.М. Рывкина, А.А. Рогачёва и Б.В. Царенкова, которые впервые продемонстрировали эффективную излучательную рекомбинацию в р-п-структу-рах на основе арсенида галлия и наблюдали крайне незначительное сужение спектра люминесценции, указав, что его причиной может быть индуцированное излучение. До этого рекомбина-ционное межзонное излучение из арсенида галлия вообще не наблюдалось, а лишь только переходы, связанные с глубокими центрами атомов меди. Огромную роль в стимулировании в Физтехе работ по полупроводниковым лазерам сыграл блестящий доклад О.Н. Крохина на конференции по р-п-переходам в Ташкенте в ноябре 1961 г.
Нужно сказать, что упомянутая работа вызвала в США переполох. В то время многие наши исследования были засекречены, и за границей о них не знали. И вот Р. Холл, сделав первый полупроводниковый лазер, прислал нам препринт своей статьи, опубликованной в ноябре 1962 г. Позже профессор Н. Холоньяк, один из авторов первого видимого лазера на р-п-структуре в соединении галлий—мышьяк—фосфор, рассказал
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
489
мне, что американцы допускали, что, может быть, лазер мы создали, но засекретили, и потому решили послать нам эту публикацию и показать, что они полупроводниковый лазер уже сделали. Таким образом, первые полупроводниковые лазеры, основанные на р-п-переходе в арсениде галлия, были получены на фирме "General Electric" Р. Холлом и его командой.
Спустя примерно две недели М. Нейсон в исследовательском центре IBM получил резкое сужение в мезоструктурах р-п-структур арсенида галлия без резонатора, а ещё через месяц в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, Б.М. Вул и А.П. Шо-тов также создали полупроводниковые лазеры на арсениде галлия. В это же время Н. Холоньяк на фирме "General Electric" в Сиракузах получил первый видимый лазер на р-п-переходах в соединении галлий—мышьяк—фосфор. Н. Холоньяк предложил и реализовал наиболее эффективный метод получения резонаторов в этих лазерах путём скалывания по кристаллическим плоскостям (рис. 1).
Эти ранние работы по созданию полупроводниковых лазеров и светодиодов (СИД) на р-п-пе-реходах были теми семенами, из которых начала расти полупроводниковая оптоэлектроника. Однако лазеры были неэффективными из-за высоких оптических и электрических потерь, и для получения генерации требовались низкие температуры. Эффективность светодиодов была также очень низкой вследствие высоких внутренних потерь. Практическое значение полупроводниковых лазеров на р-п-переходах было крайне низким.
Важный шаг был сделан сразу же после создания лазеров на р-п-переходах, когда концепция лазера на двойной гетероструктуре была независимо сформулирована нами и Г. Крёмером. В своей статье Г. Крёмер предложил использовать двойные гетеростуктуры для пространственного ограничения носителей в активной области. Он предположил, что "с помощью пары гетеро-переходных инжекторов лазерная генерация может быть осуществлена во многих непрямозон-ных полупроводниках и улучшена в прямозон-ных". В нашем патенте мы также отметили возможность достижения высокой плотности инжектированных носителей и инверсной заселённости с помощью "двойной" инжекции. Мы особо указали на то, что лазеры на гомопереходах "не обеспечивают непрерывного режима генерации при высоких температурах", и как дополнительное преимущество лазеров с двойной гетеро-структурой (ДГС-лазеров) мы рассмотрели возможность увеличения излучающей поверхности и использования новых материалов для получения излучения в различных областях спектра.
i 1 мм
Инзлучения
Длина волны
+
-CD
Зеркало, получен ное путём скола
ТР Eg Ld i s \ т n ». hn
-El
Рис. 1. Лазеры и СИДы на р-п-переходах Январь 1962: наблюдение суперлюминесцентного сужения оптического излучения GaAs-диодов (ФТИ, СССР). Июль 1962: "Lincoln Lab.", MIT (USA) — наблюдение того же эффекта. Сентябрь—декабрь 1962: когерентное излучение из GaAs-перехода - "General Electric", IBM, (USA); ФИАН (СССР)
Первоначально теория развивалась существенно быстрее, чем экспериментальная реализация. В 1966 г. мы предсказали, что плотность инжектированных носителей могла бы на несколько порядков превосходить плотность носителей в широкозонном эмиттере (эффект "су-перинжекции"). В том же году в статье, посланной в новый советский журнал "Физика и техника полупроводников", я обобщил наше понимание основных преимуществ ДГС-лазеров для различных приборов, особенно для лазеров и высокомощных выпрямителей: "Области рекомбинации, светового излучения и инверсии заселённости совпадают и сосредоточены в среднем слое. Благодаря потенциальным барьерам на границе полупроводников с различной шириной запрещённой зоны, даже при больших смещениях в пропускном направлении целиком отсутствует сквозное токопрохождение электронов и дырок, и рекомбинация в эмиттерах равна нулю (в отличие от гомостуктурр-1-п,р — п — п+, п — р — р+ (где она играет доминирующую роль)... Вследствие заметной разницы в диэлектрических постоян-
Электроны
F "
± n
AE
E,
Eg
'g2
JT
0
Электроны
Eg
Eg2
ШЯ7Ш7,
777777/
'////////////, Ev
Рис. 2. Основные физические явления в классических гетероструктурах
а — односторонняя инжекция и суперинжекция; б — диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле; в — электронное и оптическое ограничение; г — эффект широкозонного окна; д — диагональное туннелирование через гетерограницу
ных свет полностью локализован в среднем слое, играющем роль высококачественного волновода, и, таким образом, световые потери в пассивных областях (эмиттерах) отсутствуют".
Вот самые важные особенности полупроводниковых гетероструктур, которые мы выделили в то время: 1) суперинжекция носителей, 2) оптическое ограничение, 3) электронное ограничение (рис. 2).
Очевидно, что все основные идеи гетероструктур можно использовать для лазеров, светодио-дов, транзисторов и многих других электронных компонент. Стало ясно, что полупроводниковые гетероструктуры представляют собой новый класс материалов, который позже Л. Эсаки назвал кристаллами, сделанными человеком ("man made crystals"), в отличие от обычных природных и искусственных кристаллов по его определению созданных Богом ("God made crystals"). В гетероструктурах благодаря управлению шириной запрещённой зоны ("зональная инженерия" — "Band-engineering", как это позже было названо) мы создаём материалы, которых нет в природе.
Когда мы начинали наши работы, существовал общий скептицизм относительно возможности создания "идеального" гетероперехода с бездефектной границей и тем более — с теоретически предсказываемыми инжекционными свойствами. Даже пионерские работы Р. Л. Андерсона по исследованию первого эпитаксиального монокристаллического гетероперехода с совпадающими постоянными кристаллической решётки Ge—GAs
не давали доказательств инжекции неравновесных носителей в гетероструктурах. Фактическая реализация эффективных широкозонных эмиттеров считалась попросту невозможной, и патент лазера на ДГС многими рассматривался как "бумажный патент".
Главным образом из-за этого общего скептицизма существовало лишь несколько групп, пытавшихся найти "идеальную пару", что являлось, конечно, трудной задачей. Требовалось выполнение многих условий совместимости тепловых, электрических, кристаллохимических свойств контактирующих материалов, а также их кристаллической и зонной структур.
Удачная комбинация ряда свойств, то есть малые эффективные массы и большая ширина запрещённой зоны, эффективная излучательная рекомбинация и резкий край оптического поглощения вследствие "прямой" зонной структуры, высокая подвижность электронов в абсолютном минимуме зоны проводимости и её сильное уменьшение в ближайшем минимуме, в точке (100), уже в то время обеспечивала для GaAs достойное место в физике полупроводников и электронике. Так как максимальный эффект может быть получен при использовании гетероперехода между полупроводником, выступающим в качестве активной области прибора, и более широкозонным материалом, наиболее перспективными системами, рассматривавшимися в то время, были GaP—GaAs и AlAs—GaAs. Для "совместимости" материалы пары должны удовлетворять первому — и самому важному — условию: иметь наиболее близкие значения постоянных решётки. Поэтому гетеропереходы в системе AlAs—GaAs были предпочтительнее. Однако, для того чтобы нач
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.