СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КРЕМНИЕВОЙ НАНОСТРУКТУРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ И ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ЕЕ ОСНОВЕ
METHOD OF FORMING SOLID-STATE SILICON NANOSTRUCTURE FOR OPTICAL-PUMPING LASER AND OPTICAL AMPLIFIER BASED THEREON

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к способам генерации когерентного электромагнитного излучения, технологии и конструированию квантово-оптических генераторов и оптических усилителей на основе полупроводниковых структур.
Из уровня техники хорошо известны технические решения формирования активной среды на основе полупроводников и гетероструктур для генерации и усиления когерентного излучения, лазеры и оптические усилители на их основе.
а
с
Так, из уровня техники известным является «Активный элемент твердотельного лазера», который содержит ионы активатора и ионы сенсибилизатора. Накачка осуществляется через боковую поверхность активного элемента в полосы поглощения активатора и сенсибилизатора излучением в ближнем инфракрасном, видимом или ближнем ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Активный элемент имеет толщину L по направлению накачки z, 0≤z≤L, поперечное сечение S(z) и неоднородное по объему активной среды распределение концентраций ионов активатора и сенсибилизатора. Усредненные по поперечным сечениям S(z) концентрации активатора n и сенсибилизатора n являются функциями координаты z, что позволяет управлять профилем поглощенной в активной среде энергии. При накачке активной среды одновременно в полосы поглощения и активатора, и сенсибилизатора удается получать выровненный по толщине активного элемента профиль, что позволяет увеличить запасенную в активной среде энергию и уменьшить наведенные накачкой термооптические искажения среды, что улучшает пространственно-угловые характеристики формируемого в среде лазерного пучка. Для создания среды с переменной концентрацией активатора и сенсибилизатора используется лазерная керамика, состоящая из микрогранул кристалла, содержащих только ионы активатора, и микрогранул, содержащих ионы активатора вместе с ионами сенсибилизатора. См. описание к патенту №2226732, H01S 3/06, H01S 3/16, 2002.
Так же из уровня техники известен «Твердотельный лазер с продольной накачкой», включающий последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, раскрытый в описании к патенту РФ №2172544, H01S 3/02, 2000.
Кроме того, известным является «Твердотельный лазер на красителе», раскрытый в описании к патенту РФ №2105401, H01S 3/16, 1996. Особенность лазера состоит в том, что в твердотельном активном элементе лазера, выполненного в виде плоскопараллельной пластины из полимера, поверхностный слой пластины по ходу распространения излучения накачки толщиной не менее диаметра пучка излучения накачки выполнен прозрачным.
Помимо этого, известным является «Оптический усилитель с поперечной накачкой», который содержит подложку устройства, волновод, встроенный в подложку устройства, множество лазеров. Множество лазеров распределено по общей подложке. Множество лазеров соединено с поверхностью подложки устройства и волновод находится под лазерами. Способ усиления оптического сигнала содержит направление оптического сигнала по волноводу, встроенному в подложку устройства, световые пучки от лазеров на подложке обеспечиваются поперечно первому направлению распространения, отражение множества световых пучков обратно в волновод после прохождения через волновод. См. описание к патенту РФ №2302067, H01S 5/50, 2002.
Так же из уровня техники известен инжекционный лазер на основе гетероструктур, раскрытый в описании к патенту РФ №2176841, H01S 5/00, H01S 5/32 «Способ изготовления инжекционного лазера». Способ включает выращивание первого ограничительного слоя, содержащего легированный подслой первого типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, активного слоя, второго ограничительного слоя, содержащего легированный подслой второго типа электропроводности, и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения. При этом ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы обеспечить отношение концентрации дырок Р в подслое наибольшего оптического ограничения р-типа электропроводности со стороны р-типа к концентрации электронов N в подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа (P/N более единицы). Между легированными ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси. При этом границы объемного заряда p-i-n гетероперехода располагаются в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения. В результате такого выполнения получается лазер с увеличенной выходной мощностью излучения в одномодовом и одночастотном режимах. Обеспечивается стабилизация указанных режимов при повышении температурной стабильности, повышается надежность работы лазера.
Известен способ получения лазерного эффекта и создания нанолазера, который раскрыт в описании к патенту РФ №2219278, H01L 31/00, H01S 5/00 «Способ генерации когерентного электромагнитного излучения и дипольный нанолазер на его основе». Данное изобретение позволяет существенно уменьшить геометрические размеры лазеров для генерации когерентного электромагнитного излучения и ширину его спектральной линии для указанных лазеров за счет того, что в его систему сверхтонких полупроводниковых слоев вводят металлические или полупроводниковые наночастицы и путем накачки возбуждают электрические дипольные колебания с участием электронов указанных наночастиц.
Кроме того из уровня техники известны технологии и способы получения лазерного эффекта в полупроводниковых материалах и гетероструктурах, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документах, например, US 3843551, US 5661738, US 5781573, GB 111223.
Недостатком приведенных аналогов является невозможность их интегрирования с другими оптоэлектронными устройствами на единой, например, широко используемой в микроэлектронной технике кремниевой подложке.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение генерации когерентного оптического излучения и усиления оптического когерентного излучения в полупроводниковых кремниевых наноструктурах.
Указанная задача решается путем использования полупроводниковой кремниевой наноструктуры, в которой выполняются необходимые и достаточные условия для возникновения лазерного эффекта и оптического усиления - обеспечивается инверсия населенностей электронных уровней оптических центров активной среды, а также необходимый уровень усиления этой активной среды.
При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов. Во-первых, для создания лазеров с оптической накачкой и оптических усилителей с оптической накачкой становится возможным применение широко используемого в микроэлектронной технике материала - кремния, а, во-вторых, упрощается интегрирование этих когерентно-оптических приборов с другими оптоэлектронными приборами на единой кремниевой подложке, при одновременном уменьшении их размеров и повышении быстродействия.
3
5
2
6
4
6
В полупроводниковых лазерах используются главным образом бинарные соединения типа АB, АB, АB и их смеси - твердые растворы.
Все они - прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или других электронов, и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных веществ, имеется еще некоторое количество перспективных материалов, в том числе кремний.
Информация о различных кремниевых излучателях не раз появлялась в печати. Однако высокая эффективность их свечения достигается пока либо при низкой температуре, либо при комнатной температуре, но в режиме обратного смещения при экстремальных, практически предпробойных, режимах эксплуатации [1].
3+
Имеются также сообщения о реализации необходимого условия для генерации когерентного оптического излучения в стандартных для современной микроэлектроники структурах - эпитаксиальных слоях кремний-германия Si/SiGe: Er/Si (содержание Ge до 28%), выращенных на кремниевых подложках. В данных структурах, охлажденных до гелиевых температур, был надежно зарегистрирован переход в состояние инверсной населенности оптически активных центров - ионов эрбия Er [2].
Тем не менее, лазерный эффект в таких структурах отсутствует вследствие отсутствия или недостаточного уровня усиления.
Для преодоления указанных трудностей, в том числе для снижения потерь и создания условий генерации когерентного оптического излучения при комнатных температурах, наиболее перспективными являются структуры на основе легированной ионами редкоземельных элементов диэлектрической матрицы, содержащей слои кремниевых нанокристаллов (nc-Si) [2].
3+
4
4
13/2→
15/2
Среди редкоземельных ионов наибольший интерес представляет ион эрбия Еr, излучательный переход I I во внутренней 4f оболочке которого приводит к испусканию света с длиной волны 1,54 мкм, соответствующей минимуму потерь в кварцевых волоконно-оптических линиях связи [2].
В зарубежных источниках также имеются сообщения о проводимых в рассматриваемом направлении работах.
Так, в работе [3] приведены сведения об изготовлении эффективных источников излучения, основанных на кремнии. Эти приборы демонстрируют сильную электролюминесценцию вблизи 1,54 мкм при комнатной температуре (300К) с эффективностью квантового выхода 10%, сопоставимой с электролюминесценцией стандартных светодиодов на основе полупроводников III-V групп.
Далее приводится описание графических материалов, иллюстрирующих структуру, в которой достигается генерация когерентного оптического излучения и усиление когерентного оптического излучения, а инверсия населенности энергетических уровней в которых осуществляется путем оптической накачки, ни в коей мере не ограничивающие все возможные варианты ее реализации.
На фиг.1а, б, в представлены этапы формирования полупроводниковой кремниевой наноструктуры, а на фиг.2 и фиг.3 - схематичное изображение лазера с оптической накачкой и оптического усилителя на ее основе. Ниже приведены нумерация компонент полупроводниковой кремниевой наноструктуры, основных элементов лазера и оптического усилителя на ее основе, их наименование и обозначение:
1 - кремниевая подложка (c-Si)
2 - слои окиси кремния (SiO),
2
3 - слои диоксида кремния(SiO),
4 - нанокристаллы кремния (nc-Si),
3+
5 - имплантированные ионы эрбия (Еr),
6 - активный волноводный слой с нанокристаллами кремния в матрице диоксида кремния, легированной эрбием (АВС),
7 - оптическая накачка (ОН),
8 - лазерное излучение (ЛИ),
9 - входящее излучение (ВИ),
10 - усиленное излучение (УИ).
Далее приводится пример способа формирования полупроводниковой кремниевой наноструктуры, ни коим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.
2
Этап 1. Полупроводниковые кремниевые наноструктуры формируют последовательным нанесением слоев SiO (2) и SiO(3) на подложку c-Si (1), например, методом реактивного термического распыления.
2
Толщины слоев SiO (2) и SiO (3) составляют от 2 до 6 нм, за счет чего варьируется размер и плотность нанокристаллов, определяющую оптические характеристики полупроводниковой кремниевой структуры.
Структуры состоят из 30-40 пар слоев при общей толщине активного слоя 200-300 нм. Структура на этапе 1 представлена на фиг.1а.
Этап 2. Полученная структура проходит термический отжиг при температуре 1100°С в атмосфере азота в течение 1 часа.
2
В результате термохимической реакции разложения монооксида кремния слои SiO (2) трансформируются в слои плотно расположенных нанокристаллов Si (4), которые разделены слоями SiO (3).
Средние размеры нанокристаллов Si (4) составляют от 1.5 до 5 нм в зависимости от толщины исходных слоев SiO. Структура на этапе 2 представлена на фиг.1б.
3+
15
-2
Этап 3. В сформированную структуру имплантируются ионы Еr (5) с энергией 300 кВ и дозой 10 см. Структура по этапу 3 представлена на фиг.1б.
3
3
19
-3
После имплантации ионов Еr (5) структура вновь подвергается термическому отжигу в течение 5 мин при температуре 950°С. В полученной структуре концентрация ионов Еr (5) составляет около 10 см.
Метод создания инверсии населенности уровней путем оптической накачки активной среды обладает следующими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц, распределенных на поверхности кремниевой подложки в требуемой геометрии. Во-вторых, отличительной особенностью сформированной в соответствии с предлагаемым способом активной среды является возможность использования для оптической накачки излучателей широкого спектра частот.
3+
4
4
3+
13.2→
15/2
В схеме лазера (фиг.2) излучение ОН (7) направляется перпендикулярно слоям АВС (6). При этом АВС (6) возбуждается до состояния инверсной населенности его оптически активных центров - ионов Еr. Последующие за этим спонтанные излучательные переходы, например, I I во внутренней 4f оболочке Еr, приводят к испусканию света и его усилению в АВС (6) с характерной для данного примера длиной волны 1,54 мкм. Внутри активной среды ЛИ (8) распространяется между поверхностями крайних слоев полупроводниковой кремниевой наноструктуры, образуя в активной среде траекторию в виде ломанной линии, как это показано на фиг.2.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что аналогичная структура способна усиливать когерентное оптическое излучение, в частности, на длине волны 1,54 мкм.
3+
4
4
3+
13/2→
15/2
В схеме оптического усилителя (фиг.3) излучение ОН (7) также направляется перпендикулярно елям АВС (6). Оптическая накачка (7) возбуждает полупроводниковую кремниевую наноструктуру до состояния инверсной населенности оптически активных центров - ионов Er. Входящее излучение, например, с длиной волны 1,54 мкм индуцирует излучательный переход I I во внутренней 4f оболочке Еr, что приводит к усилению ВИ (9) в АВС (6). Вход ВИ (9) и выход ВУ (10) осуществляется через противоположные боковые срезы АВС (6) в направлении оптической оси усилителя. Внутри активной среды ВИ (9) и УИ (10) распространяются между поверхностями крайних слоев полупроводниковой кремниевой наноструктуры, образуя в активной среде траекторию в виде ломанной линии, как это показано на фиг.3.
Сформированные таким образом полупроводниковые кремниевые наноструктуры после оптического возбуждения способны генерировать когерентное оптическое излучение и усиливать когерентное оптическое излучение, в частности, на длине волны 1,54 мкм, для которой характеры минимальные потери в кварцевых волоконно-оптических линиях передачи информации.
Это обстоятельство позволяет создать лазеры с оптической накачкой и оптические усилители с оптической накачкой, отличающиеся от известных квантовых приборов возможностью их интегрирования с другими оптоэлектронными приборами на единой кремниевой подложке, за счет использования в качестве активной среды полупроводниковых кремниевых наноструктур.
Источники информации
1. A.M.Емельянов, Н.А.Соболев и др. Эффективный кремниевый светодиод с температурно-стабильными спектральными характеристиками. Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.6.
2. М.В.Степихова, Д.М.Жигунов, В.Г.Шенгунов и др. Инверсная населенность уровней энергия ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия. Письма в ЖТФ, том 81, вып.10, с.614-617.
3. М.Е.Castagna, S.Coffa, M.Monaco, L.Caristia, A.Messina, R.Mangano, C.Bongiomo // Physica E 16 (2003), c.547-553.