СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КРЕМНИЕВОЙ НАНОСТРУКТУРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ И ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ЕЕ ОСНОВЕ Российский патент 2009 года по МПК H01S5/00 B82B1/00 

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.

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_а и сенсибилизатора n_с 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.

В полупроводниковых лазерах используются главным образом бинарные соединения типа А³B⁵, А²B⁶, А⁴B⁶ 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].

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 Er³⁺ [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].

Среди редкоземельных ионов наибольший интерес представляет ион эрбия Еr³⁺, излучательный переход ⁴I_13/2→ ⁴I_15/2 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),

3 - слои диоксида кремния(SiO₂),

4 - нанокристаллы кремния (nc-Si),

5 - имплантированные ионы эрбия (Еr³⁺),

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.

Этап 1. Полупроводниковые кремниевые наноструктуры формируют последовательным нанесением слоев SiO (2) и SiO₂(3) на подложку c-Si (1), например, методом реактивного термического распыления.

Толщины слоев SiO (2) и SiO₂ (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.

В результате термохимической реакции разложения монооксида кремния слои SiO (2) трансформируются в слои плотно расположенных нанокристаллов Si (4), которые разделены слоями SiO₂ (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.

Этап 3. В сформированную структуру имплантируются ионы Еr³⁺ (5) с энергией 300 кВ и дозой 10¹⁵ см^-2. Структура по этапу 3 представлена на фиг.1б.

После имплантации ионов Еr³ (5) структура вновь подвергается термическому отжигу в течение 5 мин при температуре 950°С. В полученной структуре концентрация ионов Еr³ (5) составляет около 10¹⁹ см^-3.

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.

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 Еr³⁺. Последующие за этим спонтанные излучательные переходы, например, ⁴I_13.2→ ⁴I_15/2 во внутренней 4f оболочке Еr³⁺, 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.

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 Er³⁺. Входящее излучение, например, с длиной волны 1,54 мкм индуцирует излучательный переход ⁴I_13/2→ ⁴I_15/2 во внутренней 4f оболочке Еr³⁺, 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.

Изобретение относится к области квантовой электроники. Полупроводниковые кремниевые наноструктуры для лазеров и оптических усилителей формируют последовательным нанесением слоев окиси кремния и диоксида кремния на кремниевую подложку. Полученная структура проходит термический отжиг в атмосфере азота. В результате чего слои монооксида кремния трансформируются в слои нанокристаллов кремния, которые разделены слоями диоксида кремния. В слой диоксида кремния сформированной структуры имплантируются ионы эрбия, после чего структура в целом вновь подвергается термическому отжигу. Такая кремниевая наноструктура может быть использована для оптической накачки лазеров и оптических усилителей. Таким образом, данное изобретение обеспечивает получение лазерного эффекта и оптического усиления в полупроводниковых и кремниевых наноструктурах. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования активной среды для лазера с оптической накачкой и оптического усилителя на ее основе, отличающийся тем, что активная среда формируется на кремниевой подложке путем последовательного нанесения слоев диоксида кремния и окиси кремния, причем последние после термического отжига в атмосфере азота трансформируются в плотные слои нанокристаллов кремния, а в слои диоксида кремния имплантируют ионы эрбия, после чего вновь производят термический отжиг сформированной полупроводниковой кремниевой наноструктуры.

2. Лазер с оптической накачкой, отличающийся тем, что в качестве активной среды для генерации когерентного оптического излучения в нем используют активную среду, сформированную в соответствии с п.1.

3. Лазер с оптической накачкой по п.2, отличающийся тем, что лазер с оптической накачкой выполнен так, что его можно интегрировать на единой кремниевой подложке с другими устройствами микроэлектроники.

4. Оптический усилитель с оптической накачкой, отличающийся тем, что в качестве активной среды для усиления когерентного оптического излучения в нем используют активную среду, сформированную в соответствии с п.1.

5. Оптический усилитель с оптической накачкой по п.4, отличающийся тем, что оптический усилитель с оптической накачкой можно интегрировать на единой кремниевой подложке с другими устройствами микроэлектроники.