Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами

Перспективы развития лазерной техники связаны с разработкой миниатюрных лазеров с малыми пороговыми токами лазерной генерации и с высокой частотой токовой модуляции лазерного излучения (десятки гигагерц). Совокупностью указанных свойств обладают наноэлектронные лазеры, в частности полупроводниковые лазеры с вертикальными резонаторами (ЛВР), рассмотремнным в [77].

Лазеры этого типа получили название VCSEL (Vertical-Сavity Surface-emitting laser) или VCL (Vertical-Cavity Laser).

Принцип работы полупроводниковых ЛВР тот же, что и у обыч­ных полосковых полупроводниковых лазеров: в обоих типах лазеров используется резонатор Фабри–Перо, и квантовое усиление в ак­тивной области достигается за счет инжекции и рекомбинации элек­тронов и дырок в этой области. Принципиальное отличие лазеров заключается в способе формирования лазерного резонатора. Полу­проводниковый полосковый лазер содержит резонатор Фабри–Пе­ро, образованный двумя зеркалами, получаемыми путем скола по­лупроводниковой пластины вдоль кристаллографических направле­ний. Таким образом, ось резонатора лежит в плоскости полу­проводниковой пластины, и излучение лазера также параллельно плоскости исходной пластины. В полупроводниковом ЛВР резонатор Фабри–Перо образован двумя брэгговскими зеркалами, которые формируются в едином технологическом процессе роста лазерной структуры или же в постростовых технологических процессах. Слои брэгговских зеркал расположены параллельно исходной подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны (верти­кальны) по отношению к плоскости полупроводниковой пластины, что и определяет название лазеров – лазер с вертикальным резонатором. В англоязычной литературе наиболее распространены два варианта названия лазеров данного типа: vertical - cavity surface - emitting laser или vertical - cavity laser,общепринятые аббревиату­ры соответственно VCSEL или VCL.

Структура лазера с вертикальным резонатором представлена на рис. 4.32.

Рис. 4.32. Структура наноэлектронного лазера с вертикальным резонатором

 

Два брегговских зеркала образуют резонатор лазера. Эти зеркала образованы полупроводниковыми четвертьволновыми слоями с чередующимися показателями преломления (например, λ/4 слоями GaAs и λ/4 слоями AlGaAs).

Между брегговскими зеркалами лазера расположены полупроводниковые слои, содержащие активную область лазера.

Активная область ЛВР содержит одну или несколько полупроводниковых квантовых ям или квантовых точек.

С целью достижения высокой внутренней квантовой эффективности активная область не легируется. При использовании полупроводниковых брегговских зеркал инжекция носителей заряда в активную область может осуществляться непосредственно через зеркала, для чего в одном из зеркал (как правило, верхнем) используется p -тип легирования, а в другом (нижнем) используется n - тип легирования. Лазер представляет собой p – i – n -структуру.

Если в лазере используется диэлектрические брегговские зеркала, то в этом случае инжекция носителей заряда осуществляется с использованием дополнительных контактных слоев.

Такой вариант инжекции называется внутрирезонаторной.

В лазерах с внутрирезонаторной инжекцией расстояние между зеркалами составляет 2λ, 3λ… с той целью, чтобы добиться приемлемых значений омического сопротивления контактных слоев.

Для большинства лазеров длина волны резонатора определяется как расстояние между зеркалами. Для ЛВР расстояние между зеркалами, как правило, меньше толщины брегговских зеркал, образующих резонатор. Для таких ЛВР используют понятие эффективной длины резонатора. Эффективная длина резонатора определяется как некоторый участок резонатора, в котором локализована большая часть энергии моды.

Типичный размер апертуры ЛВР составляет примерно 10 мкм, что определяет заметно меньшую расходимость лазерного излучения (единицы градусов) в сравнении с полосковыми лазерами, у которых расходимость излучения составляет десятки градусов в плоскости, перпендикулярной p – n -переходу. Обычно апертура ЛВР имеет форму круга или квадрата, что определяет симметричную диаграмму направленности лазерного излучения.

Излучение ЛВР может выводиться как через верхнее зеркало, так и через оба зеркала. Направление для вывода излучения определяется соотношением коэффициентов отражения нижнего и верхнего зеркал.

К брегговским зеркалам ЛВР предъявляются очень высокие требования. За счет того, что длина активной усиливающей области ЛВР очень мала (толщина нескольких квантовых ям: несколько десятков нанометров), усиление за один обход резонатора составляет всего лишь около 1%. Для достижения генерации в резонаторе лазера необходимы высокоэффективные зеркала с коэффициентами отражения R не ниже 0,99.

Типичные значения коэффициентов отражения для выходных зеркал ЛВР лежат в интервале 0,99–0,995, коэффициенты отражения плотных зеркал ЛВР стремятся приблизить к значениям 0,999. При использовании чередующихся четвертьволновых слоев GaAs и AlAs требуется 20 пар этих слоев для достижения коэффициента отражения 0,999.

В коммерческих ЛВР в силу ряда технологических требований используют не бинарные соединения GaAs и AlAs, а твердые растворы, например Al_0,15Ga_0,85As и Al_0,92Ga_0,08As, что снижает контраст показателей преломления и заметно уменьшает коэффициент отражения зеркал. Кроме того, в лазерных структурах для снижения оптического сопротивления используются градиентные слои твердых растворов на границах слоев, что также снижает коэффициент отражения брэгговского зеркала.

Легирование полупроводниковых брегговских зеркал тоже приводит к заметному снижению их коэффициента отражения за счет поглощения света на свободных носителях заряда. В итоге для достижения необходимых значений коэффициентов отражение в брегговских зеркалах ЛВР требуется использовать большее число пар слоев с чередующимися показателями преломления.

Типичным для коммерческих ЛВР является использование 25 пар слоев в выходном зеркале и 35 пар в плотном зеркале.

Конструкция ЛВР лазера разработанного НПО «Октава» (г. Новосибирска) приведена на рис. 4.33.

Коэффициент отражения выходного зеркала этого лазера, содержащего 25 слоев, превышает уровень 0,99 на рабочей длине волны лазера 0,85 мкм.

Рис. 4.33. Конструкции наноэлектронного лазера [77]

 

Активная область лазера содержит три GaAs квантовые ямы шириной 8 нм. Для достижения максимального коэффициента оптического ограничения квантовые ямы располагаются вблизи максимума амплитуды стоячей волны.

За счет проникновения световой волны в зеркала этот участок превышает расстояние между зеркалами. Эффективная длина резонатора L _ЭФФЛВР обычно в несколько раз превышает расстояние между брегговскими зеркалами. Однако и с учетом этого обстоятельства ЛВР имеют наименьшую длину резонатора в сравнении с любыми другими лазерами. Характерные значения эффективной длины резонатора ЛВР примерно 1 мкм. Соответственно, ЛВР характеризуются наибольшим межмодовым расстоянием, существенно превосходящим полосу усиления активной области лазера, что предопределяет одномодовый режим генерации лазера.

В ИФП СО РАН (г. Новосибирск) разработаны и исследованы ЛВР содержащие одну или три квантовые ямы InGaAs в активной области, с резонатором, образованным полупроводниковыми GaAs/AlGaAs брегговскими отражателями, а также слоем Ti/Au.

 

Рис. 4.34. Ваттамперная зависимость для ЛРВ на основе GaAs квантовых ям с оксидной апертурой AlGaО 16 мкм. Непрерывная накачка, Т = 300 К

 

Конфигурация зонных диаграмм для ЛВР с одной InGaAs квантовой ямой приведена на рис. 4.35.

Параметр апертуры А варьировался от 2 до 12 мкм. Излучение лазера выводилось через просветленную подложку n - GaAs.

Лазер обладает малыми оптическими потерями и высокой добротностью лазерного резонатора. Резонатор лазера образован высокоэффективным низколегированным (выходное зеркало) и нелегированным (верхнее зеркало) отражателями, что значительно снижает оптические потери на поглощение свободными носителями заряда. С целью уменьшения оптических потерь все высоколегированные слои (контактные, апертурные, туннельные) располагаются в узлах стоячей волны.

Верхнее зеркало, образованное слоями GaAs/Al_0,95Ga_0,05O_X и Ti/Au, характеризуется очень высоким коэффициентом отражения в широком спектральном диапазоне (700–1200 нм). В центре этого диапазона расчетное значение коэффициента отражения зеркала составляет 0,9999.

Выходное GaAs/AlAs зеркало также характеризуется высоким коэффициентом отражения (0,9989).

 

 

Рис. 4.35. Конфигурации зонных диаграмм для ЛВР-2 при подаче

на структуру положительного смещения

 

Ваттамперные характеристики лазера с апертурой А = 8 мкм, работающего в режиме непрерывной накачки, представлены на рис. 4.36. Лазер имеет пороговый ток I_ПОР = 0,6 мА при Т = 300 К и внешнюю квантовую эффективность η = 6%, рабочая длина волны составляет λ = 930 нм. 1 – η = 31%, I_ПОР = 30 мкА; 2 – η= 6%, I_ПОР = 600 мкА.

При снижении температуры происходит увеличение коэффициента квантового усиления, а также смещение положения максимума полосы квантового усиления и положения резонанса лазера в коротковолновую область. Максимум полосы усиления смещается в коротковолновую область за счет увеличения ширины запрещенной зоны InGaAs. Положение резонанса ЛВР смещается в коротковолновую область с уменьшением температуры за счет уменьшения значений показателя преломления материалов, образующих лазерный резонатор.

При снижении температуры до Т = 80 К расчетное значение максимума полосы квантового усиления составляет 916 нм, расчетное значение резонансной длины волны лазера 918 нм.

Рис. 4.36. Ваттамперные характеристики ЛВР-2 с апертурой А = 8 мкм

при Т = 80 К (1) и 300 К (2)

 

Рис.4.37. Ваттамперные характеристики ЛВР-1

с апертурой А = 500 мкм, τ = 0,5 мкм

 

Ваттамперные характеристики лазера с тремя квантовыми ямами с апертурой А = 500 мкм при разных температурах приведенных на рис. 4.37. Лазер позволяет получить рекордно высокие значения выходной мощности для ЛВР (до 10 Вт при Т = 300 К и 20 Вт при Т = 250 К в импульсном режиме):

f = 1кГц, Т, К: 1– 250, 2 – 275, 3 – 300.

В заключение перечислим основные преимущества и достоинства наноэлектронных лазеров:

· низкие пороговые и рабочие токи за счет малого объема резонатора ЛВР;

· ЛВР – самые миниатюрные лазерные источники;

· ЛВР имеют малую расходимость излучения, симметричную диаграмму

направленности излучения за счет относительно больших и симметричных апертур.

Эффективность ввода излучения ЛВР в оптическое волокно может превышать 90% за счет хорошего согласования параметров излучения лазера с числовой апертурой волокна:

· сверхвысокие частоты токовой модуляции за счет сверхмалой длины и

малого объема лазерного резонатора (до 20 ГГц в настоящее время);

· одномодовый режим работы, определяемый большим межмодовым рас-

стоянием, что задается сверхмалой длиной резонатора;

· высокая температурная стабильность длины волны генерации, что

определяется малым температурным коэффициентом изменения положения резонанса Фабри–Перо. Типичное для ЛВР значение dλ/dT ≈ 0,06 нм/град, что в пять раз ниже в сравнении с аналогичным параметром для полосовых полупроводниковых лазеров.

· возможность создания линеек и матриц ЛВР с большим числом элемен-

тов, что необходимо для быстродействующих оптических систем передачи и обработки информации;

· возможность создания миниатюрных мощных лазеров.

В качестве «недостатка» наноэлектроных лазеров следует указать на высокую стоимость технологического оборудования и сложность технологических процессов используемых для создания прецизионных и многослойных гетероструктур.

Рост таких структур является предельно сложной задачей для современных технологий молекулярно-лучевой эпитаксии и эпитаксии из металлоорганических соединений. Количество различных слоев лазерной структуры может составлять сотни и в ряде случаев превышать тысячу, при этом требуемая точность задания толщины слоев составляет около 1%.

Технологии молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет изготовливать структуры со слоями нанометровой толщины. Также слои необходимы для производства нанофотоприемников и лазеров.

Важнейшим параметром лазера является пороговая плотность тока, сооветствующая началу лазерной генерации. Как видно на рис. 4.38. за пять десятилетий развития лазерной техники удалось снизить пороговую плотность полупроводниковых лазеров с 10⁵ до 10А/см².

Рис.4.38. Эволюция полупроводниковых лазеров от арсенид-галлиевых на p-n-переходах

до наноразмерных на квантовых точках.

В последние годы опубликовано много работ посвященных наноэлектронным лазерам [65, 77] Особое внимание в них уделяется наноэлектронным лазерам с вертикальными резонаторами. Именно этим лазерам принадлежит много абсолютно мировых рекордов в области лазерной техники. К числу этих рекордов относится минимальный пороговый ток лазерной генерации – единицы микроампер. Лазеры с вертикальными резонаторами – самые миниатюрные. К числу мировых достижений относится и рекордно высокая частота токовой модуляции лазерного излучения – десятки гигагерц. Лазеры с вертикальными резонаторами перспективны для создания излучателей, которые могут использоваться в квантовой криптографии.

 

Органические светодиоды

Первый OLED на основе пленок органических полупроводников p–n-типа, состоящих из групп молекул в аморфном состоянии, был получен специалистами компании Eastman Kodak, заметившими голубое свечение, исходящее от органического элемента солнечной батареи. Ученые установили, что в зоне соприкосновения двух органических материалов, в одном из которых присутствуют дырки, а в другом – избыточные электроны, как и в случае кристаллических светодиодов, возможна эмиссия фотонов. При этом, разумеется, внешний слой излучающего элемента должен беспрепятственно пропускать свет, для чего было решено использовать широко применяемый в полупроводниковой промышленности прозрачный оксид индия и олова (ITO). В результате была создана так называемая структура Kodak-типа, до сих пор практически не изменившаяся.

Таким образом, органический светодиод – монолитное твердотельное устройство, представляющее собой многослойную структуру, состоящую из нескольких органических слоев (дырочной инжекции, переноса дырок, светоизлучающего и переноса электронов) толщиной 100–150 нм, заключенных между прозрачным анодом, нанесенным на стеклянную или пластмассовую подложку, и осажденным поверх органических пленок металлическим катодом (рис. 4.39). При подаче напряжения на прибор электроды инжектируют в соответствующие органические пленки носители заряда (электроны и дырки), которые под действием электрического поля дрейфуют навстречу друг другу, рекомбинируя в промежуточном слое с излучением фотона.

Параметры OLED-панели во многом определяет ее тип – пассивно-матричный (PMOLED) или активно-матричный (AMOLED).

Рис. 4.39. Структура OLED

Пассивно-матричные OLED

Представляют собой матрицу элементов изображения, образуемую пересекающимися анодными и катодными линиями (рис. 4.40). При подаче с помощью внешнего контроллера на определенные столбцы и строки входного напряжения и сигнала передачи видеоданных высвечиваются соответствующие элементы изображения. Чем больше проходящий ток, тем ярче пиксел. Для формирования изображения напряжение на каждую строку должно подаваться в течение 1/N-отрезка времени, затрачиваемого на сканирование экрана с N числом строк. Сигнал передачи данных, поступающий на столбцы, синхронизирован с частотой развертки строк, составляющей, как правило, 60 Гц.

Панели этого типа просты в изготовлении, но требуют применения достаточно дорогостоящих внешних схем управления. К тому же они потребляют большую мощность. При подаче больших импульсов токов управления малой длительности PMOLED обычно не достигают максимальной световой эффективности, что связано как с неэффективностью самого диода, так и с потерями в строках. Анализ эффективности PMOLED показал, что на их основе целесообразно выполнять дисплеи с диагональю не больше 2–3 дюймов и числом строк до 100. Такие дешевые дисплеи с малым информационным содержанием находят достаточно широкое применение в сотовых телефонах, МР3-плеерах и портативных электронных играх.

Рис. 4.40. Структура пассивно-матричного OLED

Активно-матричные OLED

Выполняются на стеклянных подложках, поверх которых изготовлены тонкопленочные транзисторы (ТПТ), обеспечивающие индивидуальную адресацию каждого пиксела дисплея и позволяющие тем самым снизить потребляемую им мощность. Для формирования ТПТ-матрицы наиболее перспективен метод низкотемпературной обработки поликристаллического кремния (Low-Temperature Polycrystalline Silicon – LTPS). По-видимому, LTPS-подложки по мере модернизации существующих предприятий и строительства новых заменят более распространенные сейчас подложки с тонкопленочными транзисторами на аморфном кремнии, поскольку обеспечивают высокое разрешение (до 200 пикселов/дюйм и выше) и малое энергопотребление. При использовании AMOLED сокращается число требуемых внешних схем управления и существенно упрощаются электрические соединения между модулем дисплея и остальными блоками системы. Ведутся работы и по изготовлению AMOLED на подложках с ТПТ на монокристаллическом кремнии, что перспективно для создания микродисплеев с высоким разрешением. Число пикселов, разрешение и размер AMOLED практически ничем не ограничены. Панели этого типа перспективны для реализации СОИ с высоким разрешением и информационным содержанием, в том числе средств отображения видеоинформации и графических устройств.

Основные рабочие характеристики дисплея, к которым относятся длина волны излучения (цвет), срок службы и эффективность, определяет в первую очередь органический материал многослойной структуры. Сегодня органические светодиоды в основном выполняются либо на базе материалов, молекулы которых легче молекул простейшего белка, – так называемых низкомолекулярных материалов (эти светодиоды зачастую и называют OLED или Small-Molecule OLED – SMOLED), либо на основе специального класса полимеров, способных излучать свет при возбуждении (так называемые полимерные LED, или PLED). Пионер в области разработки PLED – компания Cambridge Display Technology (CDT), владеющая ключевыми патентами на их создание, на процессы оптимизации параметров и процессы изготовления. В PLED, как правило, используются полимеры двух семейств – поли р-фениленвинилен (PPV) и полифлуорен (PF). Полимер наносится на подложку методом струйной печати. Для этого чрезвычайно тонкие пленки полимерного материала помещаются в раствор с целью получения распыляемых чернил, а специальный струйный принтер наносит на подложку капли жидкого красного, зеленого и синего полимера. Правда, создание структуры, содержащей материалы разного цвета излучения, т.е. полноцветного дисплея, – задача не простая. Тем не менее, метод достаточно прост и позволяет изготавливать гибкие и дешевые дисплеи достаточно больших размеров. Так, компания Philips методом струйной печати изготовила полноцветный PLED-дисплей с диагональю 13 дюймов и разрешением 576×324 пикселов. Красные, зеленые и синие пикселы наносились принтером с четырьмя головками и 256 управляемыми пьезоэлементами соплами, распылявшими соответствующие полимеры. Компанией CDT был изготовлен PLED-дисплей с диагональю 40 дюймов.

Изготовление OLED на основе низкомолекулярного материала требует применения сложного оборудования вакуумного осаждения, которое более пригодно для формирования полноцветных дисплеев с высоким разрешением. С помощью теневой маски и трехэтапного процесса осаждения RGB-пленок была показана возможность изготовления полноцветного дисплея с диагональю 2,4 дюйма и шагом субпикселов 57 мкм. К достоинствам OLED на низкомолекулярном материале относится и совместимость с большинством операций производства полупроводниковых приборов. SMOLED существенно превосходят PLED по сроку службы и эффективности, но метод их изготовления не приемлем для создания дисплеев больших размеров. Поэтому сейчас SMOLED-дисплеи считаются наиболее серьезным конкурентом ЖКД, особенно в области дисплеев малых размеров. Поскольку одно из основных достоинств OLED – отсутствие подсветки, они успешно конкурируют с ЖКД при создании субпанелей (дополнительных дисплеев) мобильных телефонов типа раскладушки, популярность которых непрерывно растет. Благодаря прогрессивным методам продвижения OLED-дисплеев на рынок сегодня они используются в 90% раскладушек с субдисплеем. Ряд компаний разработали так называемые двойные или двухсторонние OLED-дисплеи. Так, исследовательский институт промышленной технологии (Industrial Technology Research Institute – ITRI) Тайваня в конце 2004 г. продемонстрировал одноцветный двойной дисплей с диагональю 3,8 дюйма и разрешением 320×240 пикселов. Разработку подобных дисплеев на основе активно-матричных OLED ведут компании RiTdisplay и AU Optronics. Безусловно, двойной OLED-дисплей зрительно более привлекателен, чем ЖКД. Появление мобильных телефонов со встроенной фотокамерой открывает новое применение OLED, на основе которых благодаря большей эффективности в сравнении с ЖКД, выполняется видеоискатель. Однако, как показывает практика, технология ЖКД развивается столь же стремительно, как и требования, предъявляемые производителями мобильных телефонов. Соревнование двух технологий продолжается.

В последнее время внимание разработчиков привлекают органические светодиоды на основе растворимого в полимере фосфоресцирующего низкомолекулярного материала. В традиционных OLED только 25% генерируемых носителей заряда участвуют в излучении света, тогда как остальные 75% носителей вызывают нагрев прибора. На основе результатов работ, проведенных учеными Принстонского университета, Университета Южной Калифорнии и компании Universal Display Corp. (UDC), удалось получить новый органический материал, в котором благодаря процессу фосфоресценции все 100% генерируемых носителей участвуют в генерации света. Наносится такой материал на подложку с помощью процесса струйной печати органическим паром. Пары органического материала пропускают через микроскопическое сопло, формирующее коллимированный пучок газа, с помощью которого и создается на подложке требуемый рис. органических элементов изображения. Достоинства этого процесса – более полное использование материалов, обеспечение лучшего разрешения и более высокая производительность в сравнении с другими методами изготовления OLED.

Фосфоресцирующие OLED (Phosphorescent OLED – PHOLED) по эффективности в четыре раза превосходят обычные органические диоды, не говоря о ЖКД, 90% излучения которых поглощается светофильтрами и другими компонентами дисплея. Световая эффективность PHOLED достигает 20 лм/Вт. Яркость активно-матричного PHOLED-дисплея с диагональю 2,2 дюйма в режиме воспроизведения видеоизображения – 200 кд/м2 при значении потребляемой мощности всего 125 мВт против 180 мВт для ЖКД аналогичный яркости.

К достоинствам PHOLED относятся возможность формирования на их основе экранов больших размеров (благодаря малой потребляемой мощности и большой светоотдаче), а также совместимость технологии с процессами формирования активных матричных структур с ТПТ на базе аморфного или поликристаллического кремния.

Помимо PHOLED-дисплеев компания UDC предлагает так называемые прозрачные органические светодиоды (Transparent OLED – TOLED), формируемые с прозрачными электродами на тонких прозрачных стеклянных или пластмассовых подложках. Светодиоды типа TOLED излучают свет верхней, нижней или обеими поверхностями. Поскольку в нерабочем режиме такие панели прозрачны на 70%, они могут монтироваться на стеклах очков, лобовом стекле автомобиля или на окнах. Кроме того, компания создала наборные OLED (Stacked OLED – SOLED), в которых красные, зеленые и синие элементы каждого пиксела располагаются по вертикали. Каждый субпиксел управляется независимо, цвет пиксела регулируется пропускаемым через каждый цветовой элемент током, шкала серого – широтно-импульсной модуляцией. Яркость устанавливается выбором соответствующего тока вертикального набора. По утверждению разработчиков, SOLED-технология позволяет в три раза увеличить разрешение дисплея и качество цветопередачи в сравнении с дисплеями на базе ЭЛТ или ЖК. Компания считает, что в будущем SOLED-панели найдут применение в дисплеях с высоким разрешением сетевого оборудования.

Интерес представляют и разработанный учеными исследовательской группы института технологии Технион (Израиль) органический полупроводниковый материал на базе полученных ими протеинов. Протеины соединяются друг с другом, образуя пептиды, пригодные для построения электронных приборов. По мнению разработчиков, в ближайшие несколько лет им удастся создать полноцветные складные дисплеи с более высоким разрешением, чем у экранов современных компьютеров.

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: