Пользователь
0,4
рейтинг
9 марта 2015 в 16:09

Как создавались полупроводниковые лазеры. Часть I

Лазер — сильнодействующая слабительная резинообразная смола, получаемая из растения лазер-корень.
Лазер-корень — растение из рода Лазерпитиум семейства моркови (зонтичные).
(Словарь Вебстера 1939 г.)


Laserpitlum latifolium (Лазерпитиум широколистый).


Все началось с радио


Вскоре после первых демонстраций Попова и Маркони в 1895-1896 годах появилась идея детекторного приемника (того самого, что с одним диодом). Как раз за несколько лет до этого изобрели полупроводниковые диоды. Тогда их называли кристаллическими детекторами – ни понятия «полупроводник», ни слова «диод» еще не придумали. Тем более никто не понимал, почему кристаллический детектор в принципе работает – впрочем, было ясно, что дело в особой кристаллической магии контакте между кристаллом и металлической проволочкой.


Кристаллический детектор. Металлическая проволочка касается полупроводника (на круглой подставке), образуя барьер Шоттки. Из-за торчащей проволочки такой детектор называли «cat’s-whisker», то есть «кошачий ус».

Над такими диодами в лаборатории Маркони работал Генри Джон Раунд. В 1907 году он заметил, что если к детекторам на основе карбида кремния приложить напряжение, то некоторые из них начинают светиться. Свечение обычно желтоватое, но может быть зеленым и даже синим. В годы становления радио всем было немножко не до свечения, поэтому Раунд ограничился лишь заметкой в журнале.

Кстати, спустя сто с лишним лет умельцы повторяют этот опыт. Получается очень здорово.

Довольно часто одно и то же новое явление независимо наблюдают разные коллективы. Так случилось и со свечением карбида кремния. Во второй раз – через 20 лет – его заметил Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории, рассматривая кристаллический детектор под микроскопом. В отличие от Раунда, Лосев попытался изучить свечение более детально и попытаться понять его природу. Забегая вперед, скажу, что с физикой свечения разобраться не удалось – зонной теории не существовало в принципе, да и квантовая механика только создавалась. Тем не менее, Лосев продемонстрировал на редкость последовательный и детальный научный подход.


Генри Раунд (слева), Олег Лосев.

Прежде всего, надо было понять, при каких условиях возникает свечение. Так как главный параметр в работе диода – напряжение, Лосев измерил пороговое напряжение, при котором детектор начинал светиться. Оказалось, что это может происходить и при прямой, и при обратной полярности приложенного напряжения. (Сегодня мы знаем, что первое – это режим инжекционной люминесценции, в котором работают все современные светодиоды и лазеры; второе же наблюдается перед необратимым пробоем диода и называется предпробойной люминесценцией).


ВАХ детектора Лосева. Стрелочкой указано начало свечения примерно при 8 В. [1]

Следующий вопрос – природа свечения. Что, если тонкий контакт светится из-за высокой температуры, как лампочка накаливания? Лосев капнул на контакт каплю бензола и пронаблюдал за его испарением; бензол испарялся очень медленно. Значит, дело не в температуре. Лосев предположил, что имеет дело с «обратным фотоэффектом»: электрон, разогнавшись в электрическом поле, влетает в область контакта и тормозится, а его энергия идет на генерацию света. Пожалуй, это было наиболее логичное объяснение на то время: эффект был наверняка квантовый, но до зонной теории оставалось еще 10 лет.

Что еще можно измерить у источника света? Конечно же спектр! Оказалось, что он явно нетепловой и зависит от приложенного напряжения. Ничего больше сказать не получалось: никакой доступной теории не было. Согласно Иоффе, Лосев писал по этому поводу Эйнштейну, но ответа не дождался.

Наконец, Лосев показал удивительное быстродействие эффекта. Он сумел замодулировать излучение диода с частотой до 78.5 килогерц – выше просто не позволяла его аппаратура. Лосев сделал далеко идущий вывод о возможности применения эффекта для высокоскоростной передачи информации, а также написал патент на быстрое «световое реле».

Лирическое отступление: Олег Лосев
Все источники описывают Лосева как на редкость талантливого исследователя, опередившего время. На заре своих исследований, еще до «светодиодов» он крайне кропотливо изучал ВАХ кристаллического детектора. Несмотря на проблемы с теорией, он создал новый тип приемника на кристаллическом диоде – «кристадин». К слову, у Лосева не было академического прошлого – учебу в Московском институте связи он бросил ради работы в Нижегородской лаборатории. Тем не менее, на примере «обратного фотоэффекта» видно, что он вполне успешно знакомился с современными идеями и развивал их.

В 1928 году Нижегородскую радиолабораторию расформировывают. Лосев переезжает в Ленинград, где продолжает изучать люминесценцию детекторов. Здесь же он занимается свойствами поверхности полупроводников. Касаясь кристалла не одной, а несколькими зондами-проволочками, Лосев показывает, что за работу детектора отвечает приповерхностный слой полупроводника толщиной около 10 микрон. По сути, эти эксперименты были зарождением зондовой микроскопии. Попутно Лосев упоминает, что система с несколькими электродами по-видимому, может заменить ламповый триод – то есть предсказывает реализацию транзистора (это до открытия p-n перехода и без квантовой механики!)

В завершение короткого рассказа о Лосеве стоит упомянуть фотоэффект в детекторах. По аналогии с предыдущими работами он измеряет глубину активного слоя (получается 1-3 мкм) и замечает, что фотоэффект особенно силен в кремнии. Предполагая, что у кремния большое будущее в фотовольтаике (а ведь так и оказалось), он начинает работу над кремниевыми фоторезисторами в 1941 году.

Лосев не успеет достичь каких-либо успехов с фоторезисторами: после начала войны он откажется эвакуироваться и переключится на более приоритетные задачи. Он погибнет в январе 1942 года и, будучи ученым-одиночкой, не оставит последователей. Термин «Losev light» будет использоваться в мировой литературе еще несколько лет.


После войны


Наконец-то разработана квантовая теория твердого тела. В начале 40-х годов в Bell Labs создается первый p-n переход, а к 1948 году – и первый транзистор. Физика полупроводников становится как никогда актуальной. Курт Леговец, недавно эмигрировавший в США из Германии, повторяет опыты Лосева на более качественных образцах карбида кремния. В целом подтверждая результаты Лосева (измеряя те же ВАХ и спектры излучения диодов при разных температурах), Леговец с коллегами указывают на недостатки его физической модели. Вместо этого они показывают, почему p-n переход излучает свет, если приложить к нему напряжение.


Из работы Леговца. p-n переход пропускает ток, электроны рекомбинируют с дырками, излучая свет.

Уже через год Джон Хейнц из Bell Labs изготавливает светодиоды на основе кремния и германия, и вскоре наглядно подтверждает выводы Леговца. Правда, КПД светодиодов оказывается крайне низким. Причиной всему – непрямозонность Si и Ge (об этом я упоминал в статье про синие диоды).

В это же время начинают исследовать другие полупроводники – арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и их твердые растворы (GaAsP), которые оказываются прямозонными. Первые светодиоды на их основе были продемонстрированы в 1962 году: инфракрасный диод на GaAs – Жаком Панковым из RCA; диод красного света на GaAsP – Ником Холоньяком из General Electrics.


Слева направо: Курт Леговец, Жак Панков, Ник Холоньяк. Фото Джона Хейнца найти не удалось.

Лазеры


В новую эпоху мир вступил в 1954 году, когда были созданы первые генераторы когерентного микроволнового излучения на аммиаке – мазеры. Спустя 10 лет Басов, Прохоров и Таунс получат за это Нобелевскую премию, а незадолго до этого, в 1960 году, Мейман продемонстрирует первый оптический лазер на рубиновом кристалле. За полупроводниковой революцией последует революция лазерная.

В классических лазерах мы имеем дело с энергетическими уровнями в атомах или ионах. Уровней нужно хотя бы два: сначала мы «забрасываем» электроны на верхний, после этого они возвращаются на нижний, генерируя лазерный импульс. А что, если использовать в роли этих двух уровней валентную зону и зону проводимости полупроводника? Эта идея приходит в голову пионеру лазерной физики Николаю Басову вместе с Олегом Крохиным и Юрием Поповым из ФИАНа.

Лингвистическое отступление: отрицательные температуры
Статья Басова, Крохина и Попова 1961 года называется «Возможности использования непрямых переходов для получения отрицательной температуры в полупроводниках». Этот необычный термин был весьма распространенным в то время. Причина здесь в следующем. Как мы помним, для работы лазера нужна инверсная населенность среды: если электроны могут находиться на двух энергетических уровнях, то на верхнем уровне их должно быть больше, чем на нижнем.

Хотя согласно классической термодинамике (<zanuda_mode> для идеального газа в равновесии </zanuda_mode>), частиц на нижнем уровне всегда больше, чем на верхнем. Определяется это распределением Больцмана:



Видно, что чем выше энергия уровня, тем больше дробь и (с учетом минуса) тем меньше экспонента.

Давайте еще посмотрим на температуру (Т). Если она низкая, то дробь велика, а экспонента мала – почти все частицы сидят на нижнем уровне. Если мы будем нагревать систему все сильнее и сильнее, то дробь будет стремиться к нулю, а экспонента – к единице вне зависимости от энергий уровней. То есть, заселенности станут равны.



А что, если подставить в формулу отрицательную температуру (да-да, знаем, что так не бывает, а все-таки)? Ух ты, на верхнем уровне частиц стало больше, чем на нижнем – это же инверсная заселенность!



Собственно, поэтому на заре лазеров инверсную заселенность называли «получением отрицательных температур». А еще отсюда видно, что классическая термодинамика не может полностью описать то, что происходит в лазерах (ну не бывает ведь отрицательных температур!). Нужны другие модели – например, третий энергетический уровень, частицы с которого падают только на второй – но это уже совсем другая история.


Самым приятным оказалось то, что от светодиода до лазерного диода оставался лишь один шаг – создание вокруг p-n перехода внешнего резонатора из двух зеркал. В реальности все оказалось еще проще: вместо зеркал можно было использовать отполированную поверхность кристалла, так как внутреннее отражение от поверхности полупроводника достаточно велико.

По этой причине первый полупроводниковый GaAs лазер был создан уже через несколько месяцев после первого светодиода. Автором работы стал Роберт Холл из того же General Electric.

В том же 1962 году уже известный нам Ник Холоньяк сделал лазер на GaAsP. С зеркалами он поступил еще хитрее. Дело в том, что качественные кристаллы очень легко ломаются вдоль кристаллических осей, а поверхность скола получается очень ровной (в идеале – почти атомарно-гладкой). Холоньяк просто сколол края кристалла с двух сторон и таким образом превратил его в лазер.


Слева направо: Николай Басов, Олег Крохин, Юрий Попов, Роберт Холл.

Наконец, в том же году Басов, Крохин и Попов сделали GaAs лазер в ФИАНе. Таким образом, 1962 год стал поистине прорывным для оптоэлектроники. Правда, все пионерские работы объединяла одна большая проблема – лазеры работали только в импульсном режиме, только при температуре жидкого азота, не отличались большим КПД и быстро выходили из строя. Некоторые ученые полагали, что создание непрерывного полупроводникового лазера невозможно в принципе.

(продолжение следует)

Литература
[1] N. Zheludev, The Life and Times of the LED – a 100-Year History, Nat. Photonics 1, 189 (2007).
[2] Лекция Ж. И. Алферова в телепередаче «Academia», части первая и вторая.
[3] Нобелевские лекции по физике – 2000 (в переводе УФН).
[4] Дополнительная информация о Нобелевской премии по физике 2014 года.
[5] Карлов Н. В., Кириченко Н. А. Начальные главы квантовой механики. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.
КДПВ отсюда.
Альберт @qbertych
карма
50,0
рейтинг 0,4
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (14)

  • +3
    Эх, в какой замечательный век мы живём… Сейчас простой смертный может купить за вполне разумные деньги полупроводниковый непрерывный лазер «любого» цвета. Да ещё 10 лет назад вряд ли можно было вообразить подобное.
    • +2
      Купить в переходе за 50 рублей, чтобы поиграть с котенком…
  • +2
    Один лучших эпиграфов про лазеры (а может и вообще) я видел в шикарной книге О. Звелто «Принципы лазеров».
    На первой странице там стояло:
    ...Laser… inter eximia naturae dona numeratum plurimis compositionibus inseritur

    … Лазер — один из чудеснейших даров природы, имеющий множество применений.

    Плиний Старший. «Естественная история», XXII, 49 (1 в. н. э.)

    там же в книге есть и пояснение
    Лазер во времена греко-римской цивилизации (пояснение автора к цитате из Плиния Старшего)

    В период греко-римской цивилизации (ориентировочно начиная с 6 в. до н.э. и кончая 2 в. н.э.) лазер был широко известен и весьма прославлялся. В отличие от современного лазера это было в действительности растение, обладавшее, впрочем, не менее замечательными свойствами. Это растение (относившееся, возможно, к зонтичным) в диком виде встречалось на большой территории около г. Кирены (в настоящее время принадлежит Ливии). Иногда это растение именовали также Laserpitium и за почти чудодейственные свойства считали божьим даром. Оно применялось для лечения множества болезней—от простуды до различных эпидемических заболеваний. Его использовали как противоядие против укуса змей, скорпионов или при попадании в тело отравленной стрелы. Благодаря своим прекрасным вкусовым качествам это растение употребляли в качестве изысканной приправы в самой лучшей кухне. Оно представляло собой столь большую ценность, что считалось основным источником процветания Кнрены; его вывозили как в Грецию, так и в Рим. В период римского господства это была единственная дань, которую жители Кирены платили римлянам, хранившим лазер в своих сундуках вместе с золотыми слитками. Возможно, лучшим свидетельством существования лазера (растения) является его изображение на известной чаше Арцесилао (эта чаша хранится теперь в музее г. Кирены, Ливия), на которой можно видеть, как носильщики грузят лазер на корабль под наблюдением короля Арцесилао. И греки, и римляне пытались выращивать лазер в различных частях Апулии и Ионии (на юге Италии), по это им не удалось сделать. Впоследствии лазер встречался все реже и реже и, по-видимому, около 2 в. н. э. исчез навсегда. С тех пор, несмотря на то что предпринимались большие усилия найти лазер в пустынях к югу от Кирены, он так и не был обнаружен и, таким образом, останется утраченным сокровищем греко-римской цивилизации.
    • +1
      Шикарный эпиграф! Да и книга замечательная.
    • 0
      Следует заметить, что «сокровище» вроде как и не утрачено.
      • 0
        Насколько я понимаю, Плиний Старший писал про Сильфий, а не про дикую морковку.
  • +2
    А у меня дочь Басова лабораторные по физике вела.
  • 0
    Спасибо за интересную статью!

    Непонятно только, почему отрицательные температуры взяты в кавычки и откуда сомнения в возможности классической термодинамики их описать?

    Ждем продолжения!
    • 0
      И вам спасибо! С отрицательными температурами проблема в том, что они не стыкуются с другими параметрами термодинамики (например, с энтропией). То же самое с нулевой температурой.

      В случае лазеров, любят говорить, что отрицательные температуры — это не ниже нуля, а наоборот, выше плюс бесконечности. Скажем, из картинок видно, что населенности уровней одинаковые на плюс бесконечности и минус бесконечности — то есть можно «сшить» левую и правую часть графика в кольцо и функция останется непрерывной.

      А в нуле (точнее, в -0) у населенностей как раз разрыв, поэтому через него «перескочить» не получится.

      • 0
        Если я верно помню, для систем с отрицательной температурой энтропия также определена и второй закон термодинамики в формулировке неубывания энтропии тоже соблюдается. Про устройство шкалы — понятно.
  • +1
    Вряд ли стоит так смело утверждать, что кристаллические детекторы работали на эффекте Шоттки. Во-первых, игла контактировала с окисленной поверхностью, во-вторых, сам по себе кристалл представлял собой крайне неоднородный объект (зачастую использовали природные кристаллы либо готовили их сплавлением свинца с серой, так что получался поликристаллический слиток). Наконец, в кристаллах наподобие сульфида свинца существенную роль может сыграть химическое взаимодействие кристалла с проволочкой, приводящее к обеднению серой области вблизи контакта и образованию классического p-n перехода. Особенно это касается детекторов после формовки.
    • 0
      Вы правы, говоря «барьер Шоттки» я хотел подчеркнуть основную идею — что есть граница металл-полупроводник.

      Насчет окислов: могу сказать, что люди пытались делать детекторы, касаясь иглой окислившегося лезвия. По-видимому, сталь была хитролегированной — я слышал, что такое делали в СССР до 50-х, поэтому точнее про сталь сказать сложно.

      Про поликристалл тоже верно, собственно Лосев своими зондовыми экспериментами показывал, что поверхность кристалла крайне неоднородна. Неаккуратные источники пишут, что «Лосев открыл p-n переход на поверхности» — это, конечно же, неправда, его интересовали участки, где детектор хорошо работает. Но области с разным легированием наблюдать он вполне мог. А вот объяснить наблюдаемое — вряд ли.
      • 0
        В таких структурах могут работать черте-какие стихийно возникающие структуры, вплоть до МДМ-диодов. Последний, вероятно, получается в системе с лезвием и иглой. Да и в системах с узкозонными полупроводниками с большой концентрацией как собственных, так и примесных носителей туннельный эффект через изолирующие слои в месте контакта может существенно увеличивать эффективность выпрямляющего контакта.
        С карбидом кремния ситуация принципиально иная. Это, вероятно, первый полупроводник с совершенной кристаллической структурой и умеренным уровнем легирования, доставшийся человеку «из коробки». Правда, кристаллы его обычно являются срастаниями разных политипов карбида кремния, которые немного отличаются шириной запрещенной зоны. Плюс слишком большая Eg создает свои проблемы.
        • 0
          И не просто сильно большая, а еще и сильно разная для разных решеток.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.