|
| |
|
Слаботочка Книги температура газовых лазеров иногда ограничена довольно узким диапазоном -10... +40 "С. Все это приводит к тому, что неинжекционные лазеры применяются лишь в отдельных областях оптоэлектроиики: газовые лазеры пока незаменимы в голо-графических ЗУ, твердотельные - в лазерной локации, лазеры с электронным возбуждением перспективны в проекционном телевидении. Но решающим фактором при сравнении является непрерывный прогресс инжекционных лазеров, они все увереннее иытесняют другие разновидности лазеров. 5.5. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ За четвертьвековой период развития полупроводниковых инжекционных излучателей - лазеров и светодиодов - достигнуты колоссальные успехи. Изучены и экспериментально подтверждены все основные физические закономерности, характеризующие электронные и оптические процессы в этих приборах. Теоретически определены п)ти достижения 100%-ной эффективности преобразования энергии в излучателях, получения требуемого вида спектрального, пространственного, временного распределения потока излучения. Синтезированы высокоэффективные полупроводниковые материалы, позволяющие практически без потерь реализовать теоретически предсказываемые предельные параметры. Изобретено и создано большое число разновидностей оптимальных излучающих структур. Разработаны базовые технологические процессы получения этих структур, использующие достижения современной микроэлектроники. Наконец - и этот момент является основой для заключения - создана развитая производственная база полупроводниковых излучателей. Все это позволяет заключить, что полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды представляют собой универсальные излучатели современной оптоэлектроники и нет оснований полагать, что их положение изменится. Роль этих приборов в оптоэлектронике аналогична роли кремниевых интегральных микросхем в микроэлектронике. Однако, несмотря на большие достижения в области излучателей, прогресс оптоэлектроники предъявляет к ним все новые и новые требования. Основные задачи, направления их решения, тенденции развития полупроводниковых инжекционных излучателей могут быть сгруппированы вокруг нескольких определяющих положений. Расширение производства является решающим фактором прогресса излучателей. Очень часто не замечают того, насколько тесно связаны потребность в тех или иных приборах, развитие производства для удовлетворения этой потребности и степень их технического совершенства. На раннем этапе полупроводниковые лазеры использовались главным образом как объект научного исследования, а светодиоды - как простейшие элементы индикации или составные части оптопар. Параметры и эксплуатационные характеристики этих излучателей были очень низки, а стоимость высока. Лишь возникновение и развитие ВОЛС (а для светодио- дов еще и систем отображения информации) дали реальную жизнь инжекционным излучателям. В настоящее время все более заявляют о себе оптические ЗУ (ожидается, что но числу требуемых излучателей это направление по крайней мере на порядок превзойдет ВОЛС), волоконно-оптические датчики, системы оптической обработки информации. Поэтому определяющая тенденция развития излучателей связана с расширением их производства, совершенствованием технологии, снижением стоимости. Несомненно, что это «автоматически» приведет и к повышению технического уровня изделий. Улучшение параметров излучателей призвано решить ряд проблем, выдвигаемых развитием оптоэлектроники. Во-первых, это освоение микромощного режима возбуждения: /порЛ 10-... lO"* А для лазеров и /пр?» 10"" ... 10" А для светодиодов. Возможности такого уменьшения рабочих токов уже определены физически и технологически, необходимость этого диктуется такими общими тенденциями развития микроэлектроники, как интеграция излучателей со схе.мами возбуждения, создание многоэлементных структур. Вторая проблема, как бы противоположная первой, - это повышение мощности излучателей обоих типов Оценки показывают, что в единичном полосковом гетеролазере вряд ли удастся значительно превысить Ризл~0,1 Вт, поэтому решение проблемы связано с созданием лазерных решеток - набора близко расположенных на одном кристалле оптически связанных фазосогласо-ванных полосковых структур. Если число полосков приблизится к 10 (что вполне реально), то возможно получение Ризл = 5... 1© Вт; при это.м, важны однородность элементов структуры и их высокий КПД. По-видимому, и повышение мощности светодиодов до 0,1 ... ... 0,5 Вт можно рассматривать как реальную задачу; при втом представляется обязательным (и физически возможным) повышение их квантовой эффективности до 30... 50%. Совершенствование оптических дисковых накопителей и принтеров стимулирует разработку коротковолновых лазеров. Однако многолетние усилия позволили продвинуться очень незначительно (до ?i,~0,6 мкм), поэтому большие надежды связаны с созданием комплексирован-ных излучателей с удвоением частоты. Например, гранатовый лазер с «полупроводниковой накачкой», совмещенный с кристаллом ниобата лития, дает на выходе Ризл~50 мВт при Яизл~0,53 мкм; габаритные размеры устройства не превышают нескольких сантиметров. Развитие одномодовых ВОЛС с гетеродинным приемом, а также голографических оптоэлектронных систем требует создания одномодовых одночастотных инжекционных лазеров с AV?i»,ekc<: <10-... 10~° (без внешней избирательности мод). И, наконец, об-Щ,ей тенденцией является дальнейшее повышение быстродействия; достижимы /нР(сп)<10-2... 10~3 с ДЛЯ ЛаЗСрОВ и /ир(сп)<10-«... ... 10-° С для светодиодов. Повышение эксплуатационных характеристик необходимо для устранения недостатков, присущих инжекционным излучателям. Исследования последнего десятилетия показывают, что долговечность (при ничтожно малом уровне отказов) может превысить (2... ... 5) • 10* ч для лазеров и 10... Ю ч для светодиодов. Очень важно также повышение рабочей температуры по крайней мере до 85° С для лазеров и до --125°С для светодиодов. По-прежнему трудноразрешимой проблемой остается достижение устойчивости обоих видов излучателей к воздействию проникаюшей радиации. Важно подчеркнуть, что проблема совершенствования эксплуатационных характеристик (назовем ее сокращенно «Д-0-?-пробле-ма») может считаться действительно решенной только в том случае, если результаты будут достигнуты в серийном производстве (на лучших лабораторных образцах указанные рубежи по долговечности превзойдены еще в 1970-е гг.). Прогресс технологии направлен прежде всего на совершенствование основных методов создания инжекционных излучателей- жидкофазной и газотранспортной эпитаксии. Увеличение площади обрабатываемых пластин, повышение чистоты, прецизионности процессов (получение требуемых толщин слоев и концентраций легирующих примесей, обеспечение совершенства гетерограниц и т. п.), разработка высокопроизводительного оборудования - во всем этом оптоэлектроника повторяет общие тенденции развития «кремниевой» технологии. Все большее значение приобретает МОС-эпитак-сия, использующая низкотемпературное разложение металлоорга-нических соединений. Качественно новый уровень развития излучателей будет достигнут после промышленного освоения молекулярной эпитаксии, позволяющей синтезировать сложные полупроводниковые соединения и создавать любые разновидности активных структур. Прецизионность молекулярной эпитаксии приближается к теоретическому пределу - принципиально возможно обеспечить чередование в кристалле моноатомных слоев разнородных веществ. Синтез новых материалов в развитии лазеров и светодиодов играет решающую роль: достаточно напомнить, что создание GaAlAs-структур фактически положило начало полупроводниковой лазерной технике, получение оптимальных GaAsP - структур открыло дорогу полупроводниковым индикаторам, синтез изоморфного изо-периодического соединения InGaAsP обеспечил качественный скачок в развитии ВОЛС - переход от первого поколения ко второму (см. гл. 9). И для лазеров, и для светодиодов важнейшей задачей является нахождение полупроводников, эффективно излучающих в ИК-областях спектра (датчики, «длинноволновые» ВОЛС), в видимом красно-зеленом диапазоне (индикаторы, дисплеи), в сине-голубой и УФ-областях (оптические ЗУ, индикаторы). Надежда здесь по-прежнему связана с многокомпонентными (четырех-, пяти-, шес-тикомпонентными) сплавами соединений типа АВ а также с гетероструктур ами в полупроводниках типа АВ. Применительно к светодиодам, обеспечивающим индикаторную технику, важно решение следующих задач: отыскание дешевых и технологичных материалов, эффективно излучающих в синей об- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 [51] 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |