Современная электроника №8/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2024 значениях плотности тока показали наличие резкого узкого пика в районе 8420 ангстрем (инфракрасный свет) при ширине на половине высоты при - близительно 15 ангстрем (рис. 9). В целом можно говорить о том, что Роберт Холл со своими коллегами пер - выми официально продемонстрирова - ли когерентное инфракрасное излуче - ние, испускаемое изобретённым ими «лазерным диодом» на основе GaAs. Что касается упомянутой выше ста - тьи М. Натана [42], также опублико - ванной 1 ноября 1962 года, то в их работе использовалась диодная схе - ма, аналогичная представленной на рис. 7. Диод размещался на золочё - ной шайбе из ковара. Арсенид-галли - евый переход, полученный с помо - щью диффузии цинка, легированного теллуром, занимал площадь пример - но 1·10 –4 см 2 . Вся система охлажда - лась жидким азотом. Инжекция осу - ществлялась с помощью импульсов тока длительностью 50 нс, создаю - щих высокие плотности. Инфракрас - ное излучение с длиной волны около 840 нм, исходящее из отполирован - ных граней, перпендикулярных пло - скости p-n-перехода, регистрировалось с помощью дифракционного решётча - того спектрометра Perkin Elmer. Ровно через месяц 1 декабря 1962 года физики из другой лаборато - рии «General Electric Advanced Research Laboratory», расположенной в городе Сиракузы штата Нью-Йорк, Ник Холо - ньяк (Nick Holonyak) и его техниче - ский ассистент Сэм Беваква опубли - ковали в том же журнале «Appl. Phys. Lett» результаты своих исследований по этой теме. В статье они сообщили об успешном испытании изготовлен - ного ими полупроводникового лазер - ного диода, излучавшего при крио - генных температурах когерентный красный свет в видимой области спек - тра [45]. В отличие от других работ, Холо - ньяк использовал арсенид-фосфид галлия Ga(As 1−x P x ). Это тройное сое - динение полупроводника, получен - ное путём сплавления арсенида гал - лия (GaAs) с фосфидом галлия (GaP). Изменяя состав (представленный как «x» в формуле), исследователи мог - ли настраивать ширину запрещён - ной зоны материала и, следователь - но, длину волны излучаемого света. В результате группе Холоньяка уда - лось создать лазерный диод, генери - рующий когерентное излучение с длиной волны около 600 нм в види - мом диапазоне. В этом же номере журнала «Appl. Phys. Lett. 1», вышедшем 1 декабря 1962 года, авторы из Массачусет - ского технологического института Т.М. Квист, Р.Х. Редикер, Р.Дж. Кей - ес, В.Э. Краг, Б. Лакс, А.Л. Маквортер, Х.Дж. Зейглер представили результа - ты своих экспериментов по обнаруже - нию когерентного стимулированного изучения от арсенид-галлиевого p-n- перехода с прямой инжекцией. Ста - тья была принята редакцией 5 ноя - бря 1962 года. В своих экспериментах эти авторы использовали GaAs диод с p-n-переходом, имевшим размеры 1,6×0,4 мм. Излучение диода фикси - ровалось с помощью инфракрасного визора, что давало возможность пря - мого визуального подтверждения когерентного излучения диода. Кроме того, что они подтвердили результаты, полученные Робертом Холом при охлаждении жидким азотом (77 К), им также удалось зафиксировать инфракрасное когерентное излучение при температуре 4,2 K. В случае охлаж - дения жидким азотом порог стимули - рованного изучения соответствовал плотности тока смещения, примерно 1·10 4 А/см 2 . При температуре 4,2 К порог был зафиксирован примерно на уровне 760 А/см 2 . Тем не менее целесообразно упомянуть, что интенсивность излуче - ния при 4,2 K была, по крайней мере, на порядок меньше по сравнению с режи - мом охлаждения до азотных темпера - тур [46]. Более подробное описание истории исследований по лазерной тематике, проведённых «MIT Lincoln Laboratory», можно найти в статье [47]. Кроме того, история разработок пер - вых лазерных диодов детально изло - жена в обзоре [48]. Подводя итог этому краткому описа - нию истории развития лазеров, в кото - ром опущены некоторые не столь зна - чительные этапы, можно сказать, что рассмотренные выше четыре ста - тьи, по существу, описывают первый этап разработок полупроводниковых инжекторных лазеров. Эти лазерные диоды с одним прямым p-n-переходом (гомопереходом) излучали стимули - рованное когерентное излучение в инфракрасной области спектра толь - ко при охлаждении жидким азотом (77 К). Однако при комнатной темпе - ратуре эти устройства работали как обычные светодиоды и излучали неко - герентный, размытый видимый свет в красной области спектра. В течение двух следующих лет мно - гочисленные попытки повторения и усовершенствования моделей лазер - ных диодов «Холла – Натана – Холо - ньяка – Куиста» показали, что эта конструкция хотя и является надёж - ной и легко воспроизводимой, тем не менее обладает рядом непреодо - лимых конструкторских и техноло - гических недостатков. Несмотря на многочисленные усовершенствования самой конструкции лазерного диода и технологии изготовления его базо - вых элементов, основные претензии предъявлялись к высоким порогам возбуждения, необходимости охлаж - дения до криогенных температур, импульсному режиму работы, низ - кому КПД, высокой расходимости све - тового луча, малому сроку службы и низкой надёжности. Бурно развиваю - щаяся теория, объясняющая стимули - рованное когерентное излучение p-n- перехода, позволила сделать выводы о том, что описанные выше недостат - ки были обусловлены использовани - ем сильнолегированного вырожден - ного полупроводника, что вызывало расползание инжектированных элек - тронов в неактивные зоны и бесполез - ные их потери. Эти недостатки, имевшие объектив - ный характер, казались для большин - ства столпов старой лазерно-мазерной школы в принципе непреодолимыми. Прорыв совершил молодой, мало - известный мировой науке советский физик Жорес Алфёров. В заявке на изо - бретение, поданной в 1963 году, он предложил схему «полупроводниково - го лазера с электрической накачкой». Идея этого изобретения заключа - лась в том, что излучающий элемент предлагался в виде комбинирован - ной полупроводниковой структуры, которую позже американская пресса назвала «алфёровским сэндвичем из полупроводников». Активный полу - проводник с узкой запрещённой зоной был зажат между двумя прово - дниками с более широкой запрещён - ной зоной. В тонком слое между эти - ми полупроводниками возбуждалось состояние с инверсией электронных населённостей, которое в итоге вызы - вало стимулированное когерентное излучение. Подробно «гетерогенные лазеры Алфёрова» будут рассмотрены во вто - рой части статьи.