Резюме. Пионерните разработки, свързани с откритието на лазераq в това число и на полупроводниковия лазер преди 50 години, са едни от най-важните научни достижения на човечеството през изминалия ХХ век. Те са оказали и оказват съществено влияние за техническото развитие на обществото ни. Показана е решаващата роля на цяла плеяда американски (Hall, Holonyak, Nathan, Rediker, Kroemer, Hayashi) и руски (Басов, Наследов, Ривкин, Алфьоров, Попов) учени за развитието на полупроводниковата и лазерната техника. Направена е ретроспекция на борбата на идеи и етапите, през които преминават различни екипи от забележителни учени от водещи научни лаборатории в САЩ (General Electric, Lincoln Laboratory, Bell Telephone, IBM) и Русия (Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН, Физический институт им. П. Н. Лебедева, РАН). Доказателство за значимостта на тези фундаментални открития е фактът, че само за 50 години, изминали от откриването на лазера, на десет учени е присъдена Нобелова награда за изследвания, свързани с разработката на принципите и приложението на лазерите.

Ключови думи: semiconductor laser, 50 years, double heterostructure laser

Въведение

Оптичните и лазерните технологии са ключови технологии за развитието на икономиката и просперитета на обществото ни през XXI век. Те се явяват иновационният двигател за развитие на почти всички индустриални сектори и области на науката – медицина, машиностроене, електроника, информационни и комуникационни технологии, нанотехнологии, метрология, спектроскопия и др.

Полупроводниковите лазери са лазери, при които като активна среда се използват полупроводникови материали. Поради своите специфични характеристики днес те са едни от най-разпространените лазери, имащи широко приложение в различни области на нашия живот. Без да преувеличаваме, можем да твърдим, че те са навсякъде около нас – от супермаркета (баркод скенери), до компютрите (CD и DVD плеъри), от оптическия запис и разчитане на информация до прецизните измервания в метрологията и обработката на материали в машиностроенето (закаляване, заваряване и др.). Така свикнахме с тях, че дори не ги забелязваме, а като погледнем назад, ще установим, че са изминали само 50 години от тяхното създаване в научните лаборатории.

Началото

Почти веднага след откриването на рубиновия лазер от Мейман (Maiman, 1960) идеята полупроводниковият диод да се използва за лазерен източник завладява много учени. В надпреварата се впускат редица научни колективи от водещи лаборатории в САЩ като General Electric-Schenectady (Hall, 1962), General Electric-Syracuse (Holonyak, 1962), IBM (Nathan et al., 1962), Lincoln Laboratory – Massachusetts Institute of Technology (Rediker, 1989) и в Съветския съюз института „Лебедев” (Basov et al., 1961) и Физико-техническия институт „А. Ф. Йофе” (Alferov & Kazarinov, 1963).

Повечето от изследователските екипи базират своите научни проучвания върху материала GaAs (галиев арсенид). През септември 1962 г. щастието и късметът спохождат първо екипа на Robert N. Hall от General Electric (Schenectady) (Hall et al., 1962). Той получава кохерентно лазерно лъчение с дължина на вълната 850 nm (близката инфрачервена област на електромагнитния спектър). Така създаденият първи полупроводников лазер е много неефективен, изисква висока захранваща мощност и работи само в режим на много къси импулси и среда на течен азот (Фиг.1). Само няколко месеца по-късно групата на Nick Holonyak от General Electric (Syracuse) успява да получи импулсно лазерно лъчение във видимата област (Holonyak & Bevacqua, 1962) (Фиг.2). Полупроводников лазер създава и екипът, ръководен от Николай Басов в Съветския съюз през декември 1962 г. (Фиг.3). Почти едновременно и независимо един от друг няколко екипа от различни лаборатории достигат до откритието, т. е. то е витаело във „въздуха.” Зад тези реални успехи се крият не само упорит труд и амбиция, но и сериозни предпоставки, свързани с предварителни натрупвания в тази област.

Историческите проучвания показват, че първото предложение за полупроводников лазер прави John von Neumann през 1953 г., публикувано едва през 1987 г. (Neumann, 1987). Basov et al. (1960) за първи път през 1959 г. дискутират възможността за създаване на лазер на базата на полупроводникови материали. Използването на р-n прехода за целите на лазерната генерация е предложено през 1961 г. (Basov et al., 1961). Изследвайки излъчвателните свойства на р-n прехода, екипът на Д. Н. Наследов и С. М. Ривкин също достига до извода, че при голяма стойност на тока се появяват признаци на стимулирана емисия (Nasledov et al., 1962).

Реално полупроводников лазер с електронно възбуждане групата на Н. Г Басов (О. В. Богданкевич и А. Г. Девятков) реализира за първи път през 1964 г. През същата година Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин съобщават и за създаването на полупроводников лазер с оптично напомпване.

За своите фундаментални изследвания и значими резултати в областта на по-лупроводниковите лазери Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачьов, С. М. Ривкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков през 1964 г. са наградени с най-високата държавна награда на СССР – Ленинска премия.

Следващият етап в развитието на полупроводниковите лазери е свързан с изследванията на Жорес Алфьоров през 1963 г. При защитата на своята дисертация той прави извода, че в хомогенен полупроводник p–n преходът не може да осигури оптималните параметри за работа на редица електронни прибори и предлага за тяхното получаване да се използва хетероструктура. Алфьоров предполага, че лазери на основата на хетероструктура (тънки сандвич-структури) могат да осигурят непрекъснат режим на генерация при стайна температура с много по-висока ефективност (Alferov et al., 1963). Независимо същото твърдение в своя статия прави и Хербърт Крьомер в САЩ (Kroemer, 1963). Първоначално Ж. И. Алфьоров прави опит да създаде двойна хетероструктура на базата на GaP0,15As0,85–GaAs по метода на газофазовата епитаксия. Създаденият от този материал лазер обаче работи при температурата на течния азот. На практика трябва да минат още няколко години на усилени търсения, за да може групата на Ж. И. Алфьоров (Д. Третьяков, Д. Гарбузов, Е. Портной, В. Корольков и В. Андреев) да намери подходящото полупроводниково съединение. Тройно съединение от твърд разтвор на AlGaAs се оказва подходящият материал – годината е 1967. Създадена е класическата хетеродвойка GaAs–AlGaAs. Посредством течна фазова епитаксия LPE (liquid phase epitaxy) са получени два различни хетеропрехода между АlGaАs (p- и n-тип) и трети в GaАs. Дебелината на областта на GaАs е много тънка, под 1 μm (Фиг.4). Това може да се разглежда като един от първите примери за реализиране на нанотехнология.

Интересен факт и тук е, че само с разлика от няколко месеца друга група учени в САЩ (фирма IBM) достига до същата хетероструктура AlxGa1–xAs–GaAs – като че ли научните идеи са своеобразен „флуид”, който се носи около планетата.

Докладът на Ж. И. Алфьоров върху негови изследвания на Международната конференции по луминесценция в САЩ през август 1969 г. предизвиква огромен интерес сред неговите американски колеги

И отново започва негласно съревнование за създаване на полупроводников лазер, работещ в непрекъснат режим при стайна температура, между научните колективи от лабораториите на Bell Telephone, IBM и RCA. Почти едновременно през 1970 г. до реализацията му достигат два екипа – този на Ж. И. Алфьоров (Alferov et al., 1971) и групата на М. Паниш от Bell Telephon (Hayashi, 1970) (Фиг.5). Резултатите са впечатляващи – получени са лазери, работещи в непрекъснат режим, осигуряващи висока изходна мощност, при това с плътност на протичащия ток с два порядъка по-малка от този при хомогенната структура (500–1000 А/см2). Открива се и непосредствената възможност за модулиране на изходящото лазерно лъчение, при това с честота от стотици до хиляди МHz.

Така полупроводниковите лазери реално добиват практическо значение едва след след 1963 г., когато Жорес Алфьоров и Р. И. Казаринов в СССР (Alferov, 1963) и Херберт Кьолер в САЩ (Kroemer, 1963) предлагат и реализират използването на хетероструктури. За тези свои уникални изследвания Алфьоров и Кьолер са удостоени с Нобелова награда по физика за 2000 г.

За своите изследвания в областта на хетеропреходите и приборите на тяхна основа Ж. И. Алфьоров, В. М. Андреев, Д. 3. Гарбузов, В. И. Корольков, Д. Н. Третьяков, В. И. Швейкин са удостоени през 1972 г. с Ленинска награда.

В резултат на усилията на технолози и инженери през 1975 г. на пазара се появява и първият промишлен полупроводников лазер, работещ при стайна температура, а само след година е построена и първата оптична линия в град Аталанта (САЩ). При това срокът на живот на лазерите е увеличен на 100 000 часа (~10 години), а през 1977 г. работният им ресурс вече е нараснал на 1 000 000 часа (~100 години). Значително се разширява и базата на използваните материали за полупроводникови лазери (Фиг.6), това са предимно бинарни съединения от типа А3В5, А2В6, А4В6 и техни твърди разтвори. Всички те са полупроводници с преки зонни преходи, в които съществува най-висока вероятност за междузонна излъчвателна рекомбинация.

Днес, сравнявайки полупроводниковите лазери с другите типове лазери, може накратко да се отбележат следните техни особености: (а) квантовите излъчвателни преходи се реализират на база зонната структура на полупроводниковия материал от малка активна област ~1 μm; (б) лазерното лъчение възниква непосредствено под действие на протичащия електричен ток при свързване на диода в права посока; (в) притежават много малки геометрични размери (дължина ~0,1 mm) (Фиг. 7); (г) разходимостта на изходящото лазерно лъчение е значително по-голяма от тази на твърдотелните лазери; (д) пространствените и спектралните характеристики на лъчението от полупроводниковия лазер са в пряка зависимост от свойствата на материала (структурата на забранената зона и коефициента на пречупване), от който е направен p-n преходът (Фиг.8); (е) възможност за модулация на изходящото лазерно лъчение посредством модулация на тока; (ж) висок КПД и широка област на приложение в науката, техниката и бита (виж. Табл.1); (з) сравнително ниска себестойност.

Заключение

През ХХ век са реализирани различни начини за създаване на инверсна населеност в полупроводниковите материали – чрез инжекционно, електронно възбуждане (бомбардиране с електрони) и оптическо напомпване с лавинен пробив. Както се вижда от изложението, цялата история на полупроводниковия лазер е блестящ пример за това, как плеяда учени от цял свят през тези 50 години дават своя съществен принос, за да се реализира този впечатляващ прогрес, на който сме свидетели днес, и да се изградят предпоставките за нашето бъдещо развитие не само в областта на науката и техниката, но и на общество ни като цяло.

Днес, в началото на XXI век, нивото на полупроводниковата технология е такова, че учените действително могат да „поставят” атом до атом, като създават принципно нови структури, и не само това, но и да променят техните свойства, както пожелаят. Възможно е да се изграждат системи, в които електроните са ограничени или в една равнина, или в едно измерение, т. е. в нишки, или се явяват нула-размерни структури – така наречените квантови точки с намалена размерност на електронния газ.

Като заключение бих искал да цитирам само един малък абзац от статия на лауреата на Нобелова награда Ж. Алфьорoв (Alferov, 2001), в която той ясно очертава насоките на бъдещото развитие: „... що се отнася до квантово-размерните обекти на физиката на кондензираното състояние, квантовите нишки и квантовите точки, то тук съвсем определено може да се очакват промени в нашите фундаментални физични представи, а следователно и нов „взрив” в науката.”

БЕЛЕЖКИ

1. http://edisontechcenter.org/hall_r.html

ЛИТЕТАТУРА

Попов Ю. М., (2011). История создания инжекционного лазера. Успехи физ. наук, 181, 102–107.

Щербаков, И. А.(2011). К истории создания лазера. Успехи физ. наук, 181, 71–78.

Alferov, Z.I. (2001). Тhe double heterostructure: concept and its applications in physics, electronics and technology. Rev. Modern Phys., 73, 767-782.

Alferov Z.I., Andreev, V.M., Garbuzov, D.Z., Zhilyaev, Y.V., Morozov, E.P., Portnoi, E.L. & Trofim, V.G. (1971). Investigation of the influence of the AlAs - GaAs heterostructure parameters on the laser threshold current and the realisation of continuous emission at room temperature, Sov. Phys. Semicon., 4, 1573–1575.

Alferov, Z.I. & Kazarinov, R.F. (1963). Semiconductor laser with electric pumping. USSR patent 181737 (application 950840; 30 March 1963).

Basov, N.G, Krokhin O.N. & Popov Y.M. (1961). Production of negative-temperature states in p-n junctions of degenerate semiconductors. Sov. Phys. JETP, 13, 1320–1321.

Basov N.G, Vul B.M. & Popov Y.M. (1960) . Quantum-mechanical semiconductor generators and amplifiers of electromagnetic oscillations. Sov. Phys. JETP, 10, 416–417.

Hall, R.N., Fenner, G.E., Kingssley, J.D., Soltys, T.J. & Carlson, R O. (1962). Coherent light emission from GaAs junctions. Phys. Rev. Lett. 9, 366–369.

Hayashi, I., Panish, M.B., Foy, P.W. & Sumski, S. (1970). Junction lasers which operate continuously at room temperature, Appl. Phys. Lett., 17, 109–111.

Holonyak, Jr., N. & Bevacqua, S.F. (1962). Coherent (visible) light emission from Ga (As1−x Px) junctions. Appl. Phys. Lett. 1, 82–83.

Kroemer, H. (1963). A proposed class of heterojunction injection lasers. Proc. IEEE, 51, 1782-1783.

Maiman, T.H., (1960). Stimulated optical radiation in ruby. Nature, 187, 493–494.

Nasledov, D.N., Rogachev, A.A., Ryvkin, S.M. &. Tsarenkov, B.V. (1962). Recombination radiation of gallium arsenide. Sov. Phys. Solid State, 4, 782–784.

Nathan, M., Dumke, W.P., Burns, G., Dill, F.H. Jr. & Lasher, G. (1962). Stimulated emission of radiation from GaAs p-n junctions. Appl. Phys. Lett., 1(3), 62–64.

Neumann, J. (1987). Notes on the photon-disequilibrium-amplification scheme (JvN), September 16, 1953. IEEJ Quantum Electronics, 23, 659–673.

Rediker, R.H. (1989). Early work at Lincoln laboratory on GaAs Semiconductor Devices. Linkoln Laboratory J., 2(1), 3–4.