Optoelektronika – polovodičové zdroje záření Doc. Ing. Eduard Hulicius, CSc. Fyzikální ústav Akademie věd ČR
[email protected]
Role optoelektroniky ve vědě a v aplikacích Definice optoelektroniky: Optoelektronika se zabývá součástkami a systémy pro generaci, přenos a zpracování signálů pomocí elektronů či fotonů jako nosičů a hlavně konverzí mezi těmito formami. Je součástí optiky, fotoniky i elektroniky. Nejlépe ji lze definovat negativně – není to ani čistá optika, ani pouze elektronika. Patří do ní sice také vlnovody, detektory, sluneční články, optické zesilovače a podobně, ale v této přednášce budou prezentovány hlavně zdroje záření, což jsou konkrétně – elektroluminiscenční diody (LED – Light Emitting Diode) a polovodičové lasery (laserové diody – LD – Laser diode) a to znamená, že je třeba definovat polovodiče a heterostruktury. Obr. 1. Srovnání vlastností fotonu a elektronu Fyzikální vlastnosti Klidová hmota Velikost Elektrický náboj Spin Energie Hybnost Rychlost Síla v elektromagnetickém poli
Elektron m0 = 9,1×10-31 kg > 2,818×10-15 m - 1,602×10-19 C ½ (fermion) ½ mv2 + eU mv v F = eE + v × B
Foton 0 ≈ 10-6 m 0 1 (boson) hν = ħω = hc/λ kh = k0 hc/λ c = 2,9979×108 m/s 0
Vlastnosti fotonů a elektronů i pokus o vysvětlení jejich podstaty jsou pěkně popsány ve středoškolských učebnicích fyziky, a z toho důvodu zde přinášíme jen souhrn a srovnání parametrů. Spektrální oblasti a aplikace Jedna z možných definic spektrálních oblastí se nachází na obr. 2: Obr. 2. Rozdělení spektra
Spektrální oblast Vlnová délka (µm) Energie (eV) Frekvence (THz) Vlnočet (cm-1)
Viditelná (VIS)
Blízká infračervená (NIR)
Střední infračervená (MIR)
Vzdálená infračervená (FIR nebo THz)
mm vlny
0,4–0,7
0,7–2,0
2,0–20
20–1000
>1000
1,7–3,1
0,6–1,7
0,06–0,6
0,001–0,06
<0,001
400–750
150–400
15–150
0,3–15
<0,3
14000–25000
5000–14000
500–5000
10–500
<10
Hlavní aplikační proud dnes spočívá v oblastech viditelné (signálky, osvětlování, podsvětlování, zápis a čtení informací – CD,...) a blízké infračervené (optické vláknové komunikace, infrazávory, optrony, ovladače,...). Z důvodů historických i technologických se používají většinou dobře zvládnuté materiály. Stále však zůstává prostor na zlepšování parametrů i na zavádění nových struktur (kvantové tečky), převratný „break through“ se ale neočekává. Obr. 3. Spektrální citlivost oka
Přiléhající oblast ultrafialová (nitridy, diamant,...) umožňuje
větší hustotu optických
pamětí, biomedicínské i technologické (opracovávání materiálu) aplikace atd. a střední infračervená (laserová absorpční spek-
troskopie – určování a měření polutantů příznaků chorob v dechu, komunikace, vojenské i lékařské aplikace,...). Aplikace těsně souvisí s vlastnostmi lidského oka. Stručná historie polovodičových zdrojů záření: 1907 – První elektroluminiscenční dioda – SiC, H. J. Round, znovuobjeveno Losevem 1928 1936 – Destriau – LED z ZnS 1952 – Welker – AIIIBV (GaAs) 1962 – Polovodičové lasery (RCA, GE, IBM, MIT) 1963 – ÚFPL ČSAV (Ústav fyziky pevných látek, dnes FZÚ AV ČR) 60.–80. léta – Rozvoj epitaxních technologií 70.–90. léta – Zavedení heterostruktur a kvantových jam (nanotechnologie) 1977 – Vyřešení degradace laserů i diod (bezdislokační substráty) 90. léta – Vývoj nových typů součástek (např. kaskádové lasery pro vlnové délky 4–100 µm, složené sluneční články s reálnou účinností až 40 % (teoretická je 63%)) Dnes – miliardy součástek, vznik principiálně nových aplikací, miliardový obrat (i zisk) Zdroje záření (světelného) Jsou tepelné, chemi-luminiscenční, foto-luminiscenční, elektro-luminiscenční. Pro srovnání, k dosažení optického výkonu asi 5 W potřebujeme příkon: Žárovky účinnost =
1%–6–8%
potřebný příkon na 5 Wopt je zhruba: 100 Wel
Zářivky
(15–30%)
25 Wel
LED a LD
(50–90%)
LED=10 Wel, LD=6 Wel
Dalšími výhodami LED a LD je jejich kompaktnost, miniaturnost, cena, spektrální proměnlivost, rychlost, laditelnost, (koherence prostorová, barevná, fázová). Princip funkce polovodičových zdrojů záření Pásová struktura pevných látek – v přednášce bude podán přehled základů potřebných pro pochopení polovodičové optoelektroniky. Bude vysvětlen princip a diskutován význam hetero-
struktur, (nanostruktur), geometrie čipu, kontaktů, pájení, pouzdření atd. pro optoelektroniku. Rozměry heterostruktur mohou zásadně ovlivnit pásovou strukturu. Kvantové jámy, kvantově rozměrové struktury (nanostruktury) – zmenšení jednoho nebo více rozměrů v heterostruktuře na úroveň srovnatelnou s vlnovou délkou elektronu (od desetin do desítek nanometrů) může zásadně ovlivnit vlastnosti a parametry materiálu a tím i součástek. Stručně budou popsány vlastnosti kvantových jam (přesněji roviny, lépe vrstvy, filmy), kvantových drátů (i nanotyče, nanotrubky), kvantových teček (někdy též body či doty). Bude prezentován jednoduchý popis hustot stavů, elektronových a děrových hladin v těchto strukturách. Vytváření nových „umělých“ typů pásových struktur – supermřížky (Jaký je rozdíl mezi supermřížkou a mnohonásobnou kvantovou jámou?) – umožňuje konstrukci nového typu součástek (kaskádové lasery). Z čeho se to dělá Vhodné a užívané prvky, sloučeniny a materiály (viz obr. 4):
II.B
Obr. 4.
III.A
IV.A
V.A
VI.A
2
B
C
N
O
Materiály pro sloučeninové
3
Al
Si
P
S
polovodiče se označují podle
4
Zn
Ga
Ge
As
Se
příslušných sloupců
5
Cd
In
Sn
Sb
Te
Mendělejevovy tabulky,
6
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
např. AIIIBV (GaAs).
Elementární polovodiče: Křemík, (dříve: germanium, selen, v budoucnu: diamant,...), ale často mají nepřímé přechody, Eg a n lze měnit jen málo, zavedly se tedy v sedmdesátých letech sloučeninové polovodiče (1/2 Nobelovy ceny v r. 2000 – Alferov a Kroemer). Sloučeninové polovodiče: Binární: AIIIBV II VI
– GaAs, InP, GaSb,...
A B
– CdTe, CdSe,...
AIVBIV
– GeSi,…
Ternární: AXIIIB(1-X)IIICV
– AlGaAs,…
Kvaternární: AXIIIB(1-X)IIICYVD(1-Y)V
– GaInAsSb,…
A(1-X-Y)IIIB(1-X-Z)IIIC(1-Y-Z)IIIDV
– AlGaInSb,…
Penternární:
– III, III, III, V, V – AlGaInAsSb,… III, III, V, V, V – GaInAsPSb
Na následující dvě kapitoly pravděpodobně nebude v přednášce dost času, proto je zde rozvádíme velmi podrobně. Jak se to dělá Epitaxní techniky pro přípravu polovodičových struktur Název epitaxe je původem z řeckého epi-taxis „uspořádaně na“, v roce 1936 ho zavedl L. Royer. Jde o krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce. Při rozdílu mřížkových konstant větším než 15 % (obvykle) přestává být růst epitaxním. Vysvětlení důvodu zavedení, významu a principu Epitaxní technologie zásadním způsobem přispěly k dnešnímu rozvoji polovodičového průmyslu i k výzkumu. Umožňují připravovat heterogenní struktury s možností účinného vymezení oblastí pro elektrony a díry pomocí potenciálových bariér, stejně tak lze vymezit vlnovody pro fotony ať skokem či gradientem indexu lomu. Protože rychlost růstu není veliká a je možno řídit složení i dotaci vrstev, lze připravovat ultratenké (silné i jen jednu atomární rovinu!) vrstvy různého složení. Vše krystalograficky mnohem dokonalejší a čistší, než jsou objemové monokrystaly připravované z taveniny. Je tomu tak díky nižší teplotě epitaxního růstu, při které vzniká mnohem méně krystalografických defektů. Tyto možnosti a výhody vysvětlují a ospravedlňují nutnost pracovat s velmi nákladnými aparaturami (desítky milionů korun) a velmi jedovatými a nebezpečnými materiály (arzín, fosfín, berylium,…). Princip epitaxního růstu Atomy či molekuly látky, kterou chceme epitaxně deponovat na vhodný substrát, se dopraví k povrchu, který musí být atomárně čistý – zbaven oxidů a různých adsorbovaných látek – a atomárně hladký (nebo s atomárními schody danými mírnou rozorientací povrchu monokrystalu). Na povrchu dojde nejprve k fyzisorpci, na vhodných místech, daných
minimem energie, pak k chemisorpci jednotlivých atomů, k růstu atomárních vrstev a postupně celé struktury. Epitaxe z kapalné fáze (LPE) byla rozhodující epitaxní metodou v sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století. Dnes je to stále ještě významná průmyslová metoda (levné LED, sluneční články, používá se všude, kde jsou potřeba epitaxní vrstvy silné desítky µm). Je velmi vhodná pro růst složitých sloučeninových systémů v termodynamické rovnováze a pro dotování prvky vzácných zemin. V laboratořích se dnes používá spíše „Metoda chudého muže“. Princip metody LPE Nasycený roztok požadovaných látek (např. arzén v galiu) chladne, stává se přesyceným a As se ve formě GaAs vylučuje na vhodné podložce – např. na destičce „objemového“ či epitaxního GaAs. Tenké vrstvy (i méně než 100 nm) lze dělat i pomocí LPE, ale kontakt substrátu s kapalinou musí být velmi krátký, jen milisekundy, růst je však málo reprodukovatelný, nehomogenní a špatně kontrolovatelný. Vybrané polovodičové optoelektronické (nejen) nanotechnologie a nanostruktury Co to je nanostruktura (nano-technologie, nano-charakterizace)? Obvykle se stanovuje podmínka, aby jeden rozměr ve struktuře, případně „objektu“, byl pod 100 nm (přísněji pod 20 nm, benevolentněji kolem 200 nm), tato podmínka je však nutná, nikoliv postačující. Nemusí jít nutně o atomární úroveň (to už je sub-nano), ale už se jí někdy blížíme. Hranice nano- je vlastně až 109 atomů. Rozhodně však „nano“ neznamená pouze malý. Je třeba, aby nanostruktura (nanoobjekt) přinášela jevy (umožňovala využití jevů) v makrosvětě obvykle zanedbatelné. Nejčastěji se jedná o kvantově-fyzikální jevy. Je také zřejmé, že role povrchu (či rozhraní) je u nanostruktur podstatně větší než u makroobjektů. Rozdělíme-li jednu krychli o objemu 1 cm3 (která má povrch 6 cm2) na krychličky o objemu 1 nm3, budou mít celkový povrch 6 x 107 cm3, tj. desetmilionkrát větší než původní krychle. Samozřejmě že zmenšování rozměrů struktury a zvětšování povrchu může byt důležité, někdy i podstatné, musí tam být ale ještě „něco“. Přímo čítankový příklad kombinace obojího jsou moderní polovodičové lasery s kvantovými jámami a tečkami.
Popsat v úplnosti, nebo se byť jen pokusit o vyčerpávající přehled nanotechnologií, či dokonce nanostruktur, je v současné době zhola nemožné. I jen dílčí oblasti pokrývají samostatné monografie. Omezíme se zde tedy na popis toho, co trochu známe a čím se řadu let ve FZÚ AV ČR zabýváme. Epitaxe vhodné pro nanotechnologie Jsou to epitaxe z plynné fáze – VPE. Dnes, a odhaduji, že ještě nejméně v průběhu příštích deseti let, je a bude VPE zásadní technologií nejen badatelskou, ale i průmyslovou. Je možné ji principiálně rozdělit na epitaxi fyzikální (PVD – Physical Vapour Deposition) a chemickou (CVD – Chemical Vapour Deposition), podle způsobu transportu materiálu od zdroje k substrátu. V prvním případě – PVD – jde o nanesení materiálu bez jeho chemické změny, a to pomocí vypařování, naprašování, laserové ablace, výboje apod. Ve druhém případě – CVD – jde o transport těkavých chemických sloučenin (prekurzorů) pomocí nosného plynu k substrátu, kde se většinou termicky rozkládají. Vlastní epitaxní růst na dokonale čistém a hladkém povrchu většinou monokrystalického substrátu je pak podobný. I parametry vrstev jsou podobné, i když struktury se v některých aspektech mohou lišit. V obou případech je nutno zajistit extrémní „polovodičovou“ čistotu prostředí, ať je jím vakuum (10-10 torru) nebo nosný plyn H2 či N2 (množství příměsí na úrovni desetin ppb – 10-10). Ohřev substrátu se (kvůli jeho dokonalému očištění a atomárnímu vyrovnání na povrchu – viz výše v principech epitaxe) vzhledem k těmto extrémním požadavkům na čistotu, provádí nepřímo – vysokofrekvenčním ohřevem, světlem (optickou výbojkou – MOVPE) nebo nepřímým odporovým ohřevem (MBE). VPE umožňuje i růst jednotlivých atomárních rovin (Ultra High Vacuum Atomic Layer Epitaxy). Pro vlastní PVD růstové procesy má adsorpčně-desorpční kinetika na růstovém povrchu zásadní význam. Poměrně snadno lze růst modelovat a počítat v případě (kvazi-) rovnovážného stavu, obtížnější je to v nerovnovážném stavu nebo při přechodových jevech. Příkladem PVD je molekulární epitaxe (MBE). Můžeme ji dělit podle toho, z čeho získáváme molekulární svazky: Solid Source MBE Gas Source MBE (Chemical Beam Epitaxy); Hydride Source MBE; MetalOrganic MBE
Varianty MBE jsou: Ultrahigh Vacuum Atomic Layer Epitaxy; migrací urychlená MBE; UV zářením stimulovaná MBE; plazmatem aktivovaná MBE; dotování MBE vrstev pomocí iontů. Depozice (epitaxe) chemickým rozkladem plynných sloučenin – CVD Chemický stav daného systému dobře popisuje chemický potenciál µ. Pro danou fázi je definován jako vzrůst volné Gibbsovy energie δG po přidání jednoho molu látky při konstantní teplotě a tlaku: µ = δG/δn/T,p Vyjádříme-li molární Gibbsovu energii ∆G pomocí entalpie ∆H a entropie ∆S. pak µ = ∆G = ∆H – T∆S, což lze po dosazení používat k výpočtům. Příklady CVD: Halidová epitaxe Kovy či elementární polovodiče
– (WF6 → W + ..., SiCl4 → Si + ...)
Sloučeninové polovodiče
– (GaCl + AsH3 → GaAs + ...)
Granáty vzácných zemin
– (YCl3 + FeCl2 + O2 → Y3Fe5O12 + ...)
Oxidová epitaxe Sloučeninové polovodiče
– (GaO2 + PH4 → GaP + ...)
Hydridová epitaxe Elementární polovodiče, např. veledůležitý křemík Izolační vrstvy: oxidy, nitridy
– (SiH4 → Si + ...)
– (SiH4 + H2O → SiO2 + ...; SiH4 + NH3 → Si3N4 + ...)
Organokovová epitaxe Sloučeninové polovodiče
– (Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + ...)
Kovy
– (Al(C4H9)3 → Al + ...)
Vysokoteplotní supravodiče
– YbaCuO a podobné.
Zásadní pro optoelektroniku a nanotechnologie jsou technologie MBE a MOVPE: Molekulární epitaxe – MBE Je to badatelská, ale částečně také průmyslová technologie. Princip metody: Ohřejeme substrát(y) (obvykle je to dvojnásobně (planetárně) rotující monokrystalická polovodičová destička o průměru 2´´ až 8´´ (palců), která je silná 300–500 µm) v prostředí ultravysokého vakua (10-(9-10) torru) na tak vysokou teplotu (asi 400–800°C), aby desorbovaly přirozené oxidy a povrchové nečistoty a také aby se povrch atomárně vyhladil. Pak se otevře clonka před otvorem předehřáté efúzní Knudsenovy cely (na 200–1400°C, podle materiálu) a atomy (molekuly) z ní vylétají a prakticky beze srážek prolétají desítky centimetrů růstovou komorou, dopadají na substrát a napaří se i do jeho okolí. Atomy budoucí epitaxní vrstvy se usadí na povrchu (fyzisorpce), migrují po něm a posléze se naváží do krystalové mřížky (chemisorpce) a tím vytváří epitaxní vrstvu. Plynná epitaxe z organokovových sloučenin – MOCVD Nejvýznamnější průmyslová ale i badatelská technologie. Princip metody: Ohřejeme substrát v prostředí ultračistého plynu (redukční vodík, může to být i inertní dusík) na tak vysokou teplotu, aby desorbovaly přirozené oxidy a povrchové nečistoty a také aby se povrch atomárně vyhladil. Pak přivedeme do blízkosti ohřátého substrátu vhodné prekurzory (organokovy a hydridy), tyto se zde termicky rozloží a atomy budoucí epitaxní vrstvy se usadí na povrchu (fyzisorpce), migrují po něm a posléze se naváží na správná místa krystalové mřížky (chemisorpce). Základní sumární rovnice pro růst GaAs z trimetylgalia a arzínu: Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4 a velmi podobně pro ternární, (případně kvaternární) sloučeninové polovodiče: xGa(CH3)3 + (1-x)Al(CH3)3 + AsH3 → GaxAl(1-x)As + CH4 Tyto rovnice lze rozepsat do desítek subkroků, pro pochopení principu procesu však tato forma stačí.
O laserech obecně Laser je obvykle definován jako zdroj koherentního elektromagnetického záření nejčastěji ve viditelném spektru a v přilehlých oblastech (ultrafialová a infračervená). První „lasery“ se ovšem nazývaly masery a emitovaly záření mikrovlnné, na druhé straně spektra v současné době existují i lasery rentgenové, a hovoří se o vojenských laserech pracujících dokonce v gama oblasti. Například v lékařství se bezesporu budou dříve či později využívat všechny uvedené typy laserů, nyní se však v neinvazní medicíně používají lasery emitující světlo viditelné, případně infračervené. Laserové záření vzniká konverzí některého druhu energie (např. elektrické, optické, chemické) na záření. Účinnost této přeměny je od zlomku procenta do více než osmdesáti (!) procent (polovodičové), podle typu laseru. Laser se obecně skládá ze tří základních částí: 1. Aktivní prostředí, kde se generují fotony a stimuluje jejich vznik, může jím být: – pevná látka s příměsemi (krystal, sklo, polovodič); – kapalina (barvivové lasery); – plyn nebo směs plynů (CO2, He + Ne). 2. Optický rezonátor – přispívá k zesílení, zvyšuje monochromatičnost a směrovost, je tvořen obvykle zrcadly nebo mřížkami a vlnovodem (světlovodem). 3. Zdroje budící energie (nejčastěji optické – výbojky, jiné lasery) – mohou jimi být: – proud elektronů, ať volných, nebo tekoucích p-n přechodem v polovodičích (nejrozšířenější lasery – polovodičové); – chemická reakce; – nebo potenciálně i jaderný výbuch (vojenství). Princip funkce laseru je zašifrován v jeho jménu: L – Light
– světla
A – Amplification
– zesilování
S – by Stimulated
– stimulovanou
E – Emission
– emisí
R – of Radiation
– záření
V aktivním prostředí laseru musí nejdříve vzniknout tak zvaná inverze populace nositelů náboje, neboli nerovnovážné obsazení vyšších energetických elektronových hladin. Znamená to, že dostatečné množství elektronů je vnějším, budícím, neboli excitačním polem vybuzeno, (excitováno, přesunuto) do vyšších energetických stavů.
Foton, který má vhodnou vlnovou délku, neboli energii, a je buď spontánně (samovolně) generovaný v aktivní oblasti, nebo přiletí z vnějšku, interaguje s vybuzenými elektrony tak, že při přeskocích těchto elektronů zpět na nižší energetické hladiny vzniká nový foton stejných parametrů (barva, směr, polarizace, fáze), jaké měl foton stimulující. Řečeno jinými slovy, z vhodného vnějšího zdroje energie (například elektrické energie) se v laseru lavinovitě tvoří (s velkou účinností) identické fotony (hlavně z hlediska energie, tzn. barvy a polarizace) a jsou emitovány stejným směrem a (obvykle) s velmi vysokou hustotou energie. Tento proces je znázorněn na obr. 5. Pro zjednodušení pomíjíme rozštěpení elektronových energetických stavů na vibrační a rotační stavy v molekulách, hladiny v kvantových jamách apod. Obr. 5. Schéma činnosti laserů, hladiny, proces stimulované emise
Příklad „dvouhladinového,“
a čtyřhladinového
např. polovodičového laseru
např. plynového laseru
(1) Přesun elektronů do vyšších energetických hladin (buzení, čerpání, excitování či pumpování). Může to být proces jednorázový nebo opakující se (pulzní, vícenásobný) nebo stálý (trvající, spojitý – kontinuální) (2a) Spontánní, náhodná generace fotonu v aktivní oblasti (2b) Vstup vnějšího fotonu (3) Stimulovaná emise – fotonem vyvolaná rekombinace elektronu a díry (neboli přeskok elektronu z vyšší na nižší energetickou hladinu), za vzniku dalšího fotonu stejných parametrů (4) Další zesilování záření (generace světla) stimulovanou emisí fotonů (5) Laserové záření – koherentní, monochromatické, polarizované (6) Vyšší elektronová energetická hladina v atomu, molekule či polovodiči (v tom případě jde o vodivostní pás) (7) Nižší elektronová energetická hladina v atomu, molekule či polovodiči (v tom případě jde o valenční pás)
Proces vzniku, neboli generace laserového záření, je podobný řetězové reakci, může být lavinovitý vysoce účinný a velmi rychlý. Světlo se nejen zesiluje, ale vystupující svazek záření má díky výše popsané stimulaci při vzniku fotonů zcela unikátní vlastnosti.
Optický výkon laserů může být v rozsahu nW až PW (tj. 10-9–1015 W). Záření je obvykle vysoce monochromatické, polarizované, prostorově i časově koherentní, úzce směrové, má vysokou hustotu energie a je emitováno kontinuálně (spojitě) nebo v jednotlivých impulzech (od femtosekund, fs = 10-15 s) po kvazikontinuální režim, např. 1:1, tj. 50% plnění. Výhodou některých typů laserů je možnost neobyčejně vysoké frekvence modulace – jsou dosahovány až terahertzové frekvence, což je významné pro přenos informace. Obecně vzato, laserové záření může mít vlnovou délku od gama záření přes rentgenové ultrafialové a viditelné vlnové délky až po mikrovlnné záření. Lasery emitující ve spektrální oblasti gama záření se nazývají grasery a v mikrovlnném spektru masery. Při popisu laserového záření narážíme na jednu ze základních otázek moderní fyziky: Co je to foton a jaké jsou jeho vlastnosti? Přestože náš mozek přijímá více než devadesát procent informací o světě právě prostřednictvím fotonů a naše oko je tak citlivý detektor, že dokáže vnímat světelný signál nesený jen několika fotony, foton sám se naší přímé zkušenosti a představě zcela vymyká. Kvůli nepatrným rozměrům, malé energii a také vzhledem k tomu, že existuje jen v pohybu, pro něj totiž platí zákony a rovnice kvantové a relativistické fyziky, která je v současnosti v přírodních vědách obecně přijímána a popisuje dosud bezrozporně všechny vědecké experimenty. Náš život probíhá ve světě velkých hmot, prostorů i energií a naše zkušenost či představa se shoduje s limitními – klasickými – fyzikálními teoriemi, což jsou našim smyslům a zkušenostem dostupné aproximace obecných (úplných) teorií. Foton jako takový je tedy pro nás smyslově neuchopitelný. Musíme se spolehnout na vnitřně konzistentní výsledky a velkou prediktivní sílu rovnic i teorie a přijmout to, že foton je současně vlna i částice (některý více a některý méně), že nemá hmotu (klidovou) a současně hmotu má (což vyplývá ze slavné Einsteinovy rovnice E = mc2), že jeho rychlost ve vakuu je nejvyšší možná (ale např. ve vodě jej může vysoce urychlená částice předhonit), že celý vesmír byl kdysi složen pouze z fotonů a pravděpodobně tak i skončí (nebo touto fází opět projde) a na řadu dalších, ještě komplikovanějších představ. Stručně řečeno, jde o tak zvaný korpuskulárně vlnový dualismus povahy světla. Světelné záření – světlo si tedy zcela oprávněně můžeme představit jako proud fotonů: – spojitý, nepřetržitý – emitovaný v impulzech (dlouhých od femtosekund do sekund) – modulovaný – ať amplitudově, ve smyslu kolísání spojitého signálu, nebo frekvenčně – jako emise balíků různého množství impulzů
Nebo, stejně oprávněně, jako příčné vlnění elektromagnetického pole, jehož vlastnosti fenomenologicky popisují Maxwellovy rovnice. Jejich popis a výklad ovšem přesahuje rozsah této přednášky. Na úplný popis relativistické kvantové teorie světla, spojující představu fotonů a vlnění, spojený s gravitací i jadernými silami, si ovšem věda a lidstvo budou muset ještě počkat. Zde bych pouze poznamenal, že vlnová představa světla dobře popisuje jevy jako interference, difrakce, disperze, reflexe, absorpce apod. Korpuskulární, fotonový model zase fotoefekt (za jehož objasnění v roce 1906 dostal později A. Einstein Nobelovu cenu), vlastnosti rtg či gama záření a další. Laserové záření jsou fotony nebo vlny prakticky identické, mají stejnou barvu, tj. energii, neboli vlnovou délku či frekvenci, dále fázi vlny, polarizaci a obvykle i směr a malou rozbíhavost. Základní vlastnosti fotonů stejné barvy nezáleží na typu laseru, který je jejich zdrojem. Obecné, nelaserové světlo, říká se též spontánní, nekoherentní, např. červené, má tyto parametry: energie
– E = (1,6–2,0) eV
(eV – elektronvolt = 1,6 x 10-19 J (joule))
vlnová délka
– λ = (600–750) nm
(nm – nanometr = 10-9 m)
kruhová frekvence
– ω = (5–4) x 1014 Hz (Herz) (Hz = s-1)
vlnočet
– ν = (1,6–1,3) x 104 cm-1
Jednomodové červené laserové záření (z polovodičových nebo He-Ne laserů) má mnohem užší spektrum, to jest řádově vyšší monochromatičnost (jednobarevnost) např.: vlnová délka
– λ = 632,67 ± 0,02 nm (tedy od 632,66 do 632,68 nm)
Obdobně malé rozpětí mají i další výše popsané veličiny – ω, ν a E. Dále má samozřejmě laserové záření dobrou směrovost, koherenci a je polarizované. Díky těmto vlastnostem se podstatně zefektivňuje zpracování laserového paprsku – snazší a daleko lepší fokusace (zvýšení hustoty výstupního i dopadajícího záření – můžeme snadno dosáhnout hodnot MW/cm2), minimalizuje se disperze ve vláknech, která je dána různou rychlostí šíření světla (závislou na barvě) v opticky hustějším prostředí (např. ve skle – nikoliv ve vakuu). Může se též dosáhnout rezonance s energetickými stavy elektronů či jejich přeskoky v tkáních s nepoměrně větší účinností než při aplikaci obyčejného světla. Prostorová koherence laserového záření – rozbíhavost umožňuje podstatně vyšší a bodovou nebo čárovou fokusaci světla a mnohem vyšší intenzity osvitu. Díky této koherenci je též možné laserové světlo snadno zavádět do optických světlovodů. Prostorová koherence se ovšem podle technického provedení laserů velmi liší a rozdíly jsou obrovské. Jsou lasery, jejichž
paprsek vyslaný ze Země má při dopadu na Měsíc průměr 25 cm a jiné mají rozbíhavost i 60o (polovodičové lasery, kvůli své miniaturnosti – aktivní oblast je srovnatelná s vlnovou délkou). Další vlastnosti laserového záření, jako jsou: – fázová koherence – světelné vlny jsou stejné nejen z hlediska frekvence (monochromatičnosti), ale nejsou vůči sobě ani posunuté – jsou ve fázi, – polarizace – příčné vlny elektromagnetického záření kmitají ve stejné rovině, jsou stejně polarizovány, jsou principiálně velmi významné a zajímavé a jsou využívány i v řadě fyzikálních experimentů. Generace ultrakrátkých impulzů (již od femtosekund) je nesmírně významná pro studium základních vlastností látek a jiné vědecké aplikace. Stejně tak je tomu v případě generace gigantických impulzů (až několik Petawattů = 1015 W) při výzkumu jednoho z možných spouštěcích mechanizmů řízené termonukleární fúze, potenciálního zdroje čisté energie budoucnosti. Polarizované světlo lze sice získat i z nelaserového světla – průchodem tzv. polarizátorem, látkou nebo zařízením, které absorbuje vlnění kmitající v ostatních rovinách, než je ta polarizovaná. Tento světelný signál je však slabý nebo ne tak dobře polarizovaný jako laserový. Stejně tak lze získat i monochromatické světlo – po průchodu monochromátorem nebo filtry (absorpčními či reflexními), platí zde však tytéž výhrady jako pro světlo polarizované. Souhrn vlastností, hlavně intenzita a v neposlední řadě nyní i dostupnost, dává laserovému záření jeho unikátní postavení. Funkce laseru jako přístroje je omezena řadou technických parametrů, které jsou v podstatě určeny fyzikálními parametry aktivního prostředí, zvoleným rezonátorem a technikou použitého buzení, čili čerpání laseru. Základní souvislosti důležitých parametrů laserů s technickofyzikálními podmínkami: Prahový budící výkon – laser začne vyzařovat „laserové“, tj. koherentní, stimulované, monochromatické a polarizované světlo teprve od určité, prahové budící energie. Její velikost je dána vlastnostmi aktivního prostředí, tedy snadností, s jakou je možné dosáhnout inverze populace, a též konstrukcí laseru – hlavně objemem aktivní oblasti. Významnou roli může hrát i typ a kvalita rezonátorů. Maximální výkon – je omezen hlavně odolností zrcadel rezonátoru, odvodem a rozptylem parazitního tepla z aktivní oblasti, které tam vzniká při nežádoucích nezářivých procesech. Předpokladem je to, že je k dispozici dostatek budící energie. Životnost, spolehlivost – je dána rychlostí degradačních mechanizmů v aktivním prostředí – změnou zářivé rekombinace v nezářivou. V případě vyšších hustot záření i mechanickou
degradací zrcadel rezonátoru. Spolehlivost je určena hlavně elektronikou budícího systému a statistickým chováním degradačních mechanismů. Obecně platí, že vyšší provozní teploty životnost snižují, stejně jako rostoucí opakovací frekvence či výkon. Délka impulsu – horní mez pro impulzní lasery je udávána obvykle asi do 200 ns, což je dáno fyzikálními parametry odvodu parazitního tepla vznikajícího v aktivní oblasti, která se při delších impulzech přehřívá. Lasery s délkou impulzu větší než milisekunda se obvykle označují jako kvazikontinuální. Maximální a minimální opakovací frekvence – je dána konstrukcí laseru a budícím systémem. Součin délky impulzu a opakovací frekvence se nazývá plnění. Stabilita signálu, šum, fluktuace – spíše než fyzikální vlastnosti aktivního prostředí je zde většinou určující stabilita elektroniky buzení. První lasery (rubínový, He-Ne, polovodičový) byly zkonstruovány před 43 lety. Dva Rusové a Američan byli odměněni za práce vedoucí ke vzniku laserů Nobelovou cenou. Za posledních patnáct let lasery prošly velmi bouřlivým vývojem. Ovlivňují nejen řadu vědeckých a průmyslových oborů (elektronika, metrologie, vojenství...), ale vyskytují se už i v našem běžném životě, např. CD přehrávače, počítačové paměti, laserové tiskárny, optické komunikace (telefonování, televize, Internet), laserová ukazovátka či laserové show, pronikají do automobilizmu, do robotiky atd. V neposlední řadě se lasery uplatňují v mnoha oborech medicíny, ať diagnosticky, či terapeuticky. Laserů (hlavně polovodičových) se v současné době ročně vyrábějí stovky milionů kusů. Ceny jsou od desítek korun za součástku (nejjednodušší polovodičové), až po desítky miliard korun (projekty laserové termonukleární fúze, či systémy protiraketové obrany ve vojenství). Celosvětový trh s lasery má nyní roční obrat ve výši mnoha miliard dolarů. Polovodičový laser – laserová dioda (je to téměř synonymum, ale ne úplně) Princip a schematické znázornění činnosti LD jsou znázorněny na obr. 6 a 7.
Obr. 6. Princip činnosti polovodičových laserů Laser jako prvek se zpětnou vazbou Pásová struktura jednoduchý p-n přechod, injekce Vlnovod
Laserový čip – hetrorostruktura, vlnovod, rezonátor Obr. 7. Princip činnosti polovodičových laserů, pokračování
Proužková geometrie a vlnovod
Pásová struktura a index lomu
Tvar výstupního optického svazku
Podobně jako u LED je viditelná a blízká IČ oblast převážně průmyslová záležitost. Příprava LD pro střední a vzdálenou IČ i ultrafialovou oblast je velkou výzvou pro badatele. Často je také důležité nahradit stávající typy LD novými, s výrazně lepšími parametry. K tomu se využívají: kvantové jámy (QW), heteropřechody druhého typu, struktury s napnutými vrstvami, kvantové tečky (QD). Elektroluminiscenční dioda – svítící dioda, LEDka (Light Emitting Diode) Materiály používané pro LED byly popsány na začátku této přednášky. Emisní spektrum: bude vysvětleno, proč je daleko užší než z tepelných zdrojů světla a proč je o tolik širší než z laserů. Hlavním problémem LED je dostat světlo ven ze struktury. Uvnitř vzniká s téměř stoprocentní účinností. Jak se tento problém řeší? Geometrií čipu! Kromě toho bude v přednášce popsána úloha kontaktů, absorbující/neabsorbující podložky a antireflexního pokrytí. Bude diskutována barevnost světla z LED. Vývoj, současnost a budoucnost bílých zdrojů světla je zásadní pro jednu z nejdůležitějších aplikací LED. Diskutovány budou otázky životnosti, účinnosti a ceny LED. Budoucí vývoj: LED Je naděje na levné, účinné a nestárnoucí „žárovky“. Dostupná levná bílá dioda přinese velké úspory energie i celkových nákladů (životnost). Zajímavá bude i jejich laditelnost – nejen jasu, ale i barevnosti („barevné teploty“). Žádoucí je další zvyšování účinnosti. Je otázkou, zda rozšiřování vlnových délek emitovaného záření je pro LED tak důležité jako pro LD. Dvou i vícebarevné čipy by však určitě nalezly též mnoho uplatnění. LD Polovodičové lasery versus „klasické“ lasery – je/bude vztah mezi nimi analogií vztahu elektronky versus tranzistory? Rozšiřování vlnových délek je pro LD určitě žádoucí a umožní řadu dalších aplikací. Další zvyšování účinnosti, výkonu. „Mnohobarevné“ čipy budou zajímavé např. pro „paralelní“ optické komunikace. Další zlepšování monochromatičnosti – zužování jednomodové emisní čáry.
Ladění barevnosti (zde skutečné) bude důležité pro laserovou spektroskopii. Jednofotonové zdroje pro kvantovou kryptografii a kvantové počítání. Žádoucí je další zvyšování životnosti a snižování ceny, zvláště pro unikátnější typy laserů.
