Křemíkový laser

Marek Jasanský, 14.ledna 2005

Křemík je dnes nejpoužívanějším prvkem v elektronice. Je totiž levný a má výborné polovodičové vlastnosti. Polovodiče se ale nehodí k přenosu signálů, k tomu se stále používají kovové (měděné) cesty. Například dnešní počítačový procesor obsahuje 100 milionů křemíkových tranzistorů o velikosti 100 nm a 10 km měděných spojů mezi těmito tranzistory. V takovém množství spojů dochází k velkým tepelným ztrátám, čip se zahřívá. Pokud vývoj půjde dál a bude se řídit tzv.  Moorovým zákonemMoorův zákon – pozorování Gordona Moora, jednoho ze spoluzakladatelů firmy Intel, které říká, že počet tranzistorů na jednom čipu se každých zhruba 18 měsíců zdvojnásobí; nejedná se o přesný fyzikální zákon, nicméně tato věta platí již téměř 50 let., nastanou obrovské problémy s přehříváním čipů. Jen pro zajímavost, hustota tepelného výkonu (výkon dělený plochou) na čipu již překonala hustotu tepelného výkonu elektrické plotýnky a blíží se hodnotám, kterých dosahují jaderné reaktory. Proto se dnes přemýšlí o využití optických vláken, která se přenosem signálu téměř nezahřívají. Optické spoje by mohly být použity pro přenos dat z PC karet na základní desku, mezi různými částmi základní desky i mezi jednotlivými tranzistory mikroprocesoru. Optická soustava použitá k těmto účelům by měla být kompatibilní s technologií CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá polovodičových součástek řízených elektrickým polem. K provozu stačí jen jedno napájecí napětí a spotřeba těchto elektronických snímačů je velmi malá. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře zvládnutá. Touto technologií se vyrábí světlocitlivé prvky digitálních fotoaparátorů (alternativa k CCD) a většina počítačových integrovaných obvodů včetně procesorů. . To již není žádný problém, až na jednu výjimku – vhodný zdroj světla. Pojďme se podívat, s jakými problémy se při konstrukci tohoto zdroje (účinné elektroluminiscenční diody nebo ještě lépe laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.) založeného na křemíkové bázi vědci potýkají.

Laser

Nejprve si připomeneme, co to laser je. Existuje proces, při kterém foton dopadne na atom a přiměje ho k přechodu do nižšího energetického stavu za vyzáření dalšího fotonu. Původní foton se přitom nepohltí a oba fotony letí společně dále týmž směrem. Jsou synchronizovány, mají stejný kmitočet a stejnou fázi. Záření se tak zesiluje a proces se může lavinovitě opakovat s dalšími atomy. Nazýváme jej stimulovanou emisí. Stimulovanou emisi můžeme spustit vybuzením atomů do vyšších energetických stavů a zavedením kladné zpětné vazby. Atomy můžeme vybudit různým způsobem (například elektrickým proudem, ozářením, chemickou reakcí), zpětnou vazbu můžeme realizovat například dvěma rovnoběžnými zrcadly. Takto vzniklý světelný paprsek nazýváme laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Polovodičové lasery

V polovodičích s tzv. přímým zakázaným pásem (například GaAS, InP) leží v pásovém diagramuPásový diagram – diagram závislosti energie E na hybnosti k v periodickém potenciálu pevných látek, například polovodičích. V energetickém spektru jsou typické pásy možných energií částic. Poslední zaplněný energetický pás (i částečně) se nazývá valenční pás, nejbližší další volný pás je tzv. vodivostní pás. Mezi valenčním a vodivostním pásem je interval zakázaných energií, tzv. zakázaný pás. minimum energie vodivostního pásu nad maximem energie valenčního pásu. Elektron vybuzený do vodivostního pásu tak může spadnout do volného místa ve valenčním pásu a vyzářit přitom foton. Tyto materiály jsou účinnými zdroji světla a vyrábí se z nich luminiscenční diody (slouží jako nejrůznější kontrolky) nebo laserové diody (nalezneme je v CD přehrávači nebo laserovém ukazovátku). Bohužel se vyrábějí jinou technologií než CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá polovodičových součástek řízených elektrickým polem. K provozu stačí jen jedno napájecí napětí a spotřeba těchto elektronických snímačů je velmi malá. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře zvládnutá. Touto technologií se vyrábí světlocitlivé prvky digitálních fotoaparátorů (alternativa k CCD) a většina počítačových integrovaných obvodů včetně procesorů.  a problémem je také jejich jiná struktura. Snažíme-li se je propojit s křemíkovými prvky, vznikají na rozhraní defekty negativně ovlivňující funkčnost těchto světelných zdrojů.

Pásový diagramPásový diagram – diagram závislosti energie E na hybnosti k v periodickém potenciálu pevných látek, například polovodičích. V energetickém spektru jsou typické pásy možných energií částic. Poslední zaplněný energetický pás (i částečně) se nazývá valenční pás, nejbližší další volný pás je tzv. vodivostní pás. Mezi valenčním a vodivostním pásem je interval zakázaných energií, tzv. zakázaný pás. světloemitujících materiálů GaAs a Si.

Křemík je naopak polovodič s tzv. nepřímým zakázaným pásem – minimum energie vodivostního pásu a maximum energie valenčního pásu se u něj vyskytuje při různých hybnostech kvazičástic. V takovém polovodiči se elektron při sestupu z vodivostního pásu spíše setká s defektem nebo pastí, které ho pohltí bez uvolnění fotonu. Pravděpodobnost, že elektron sestoupí až do valenčního pásu a vyzáří přitom foton je asi 10⁻⁴ %.

Realizace křemíkového laseru

Výše zmiňovaná pravděpodobnost vyzáření fotonu (tzv. vnitřní kvantová účinnost pro luminiscenci) je velmi malá. Nyní si ukážeme, jakými metodami se ji vědci snaží zvýšit.

Demonstrace optického zesílení v křemíku

Inverzní sluneční článek

Sluneční článek je v podstatě dioda, ve které dopadající sluneční světlo způsobuje vznik párů elektron – díra. Následkem toho se na této diodě objeví elektrické napětí. Australští vědci pracující pod vedením prof. Greena vyzkoušeli opačný jev – na sluneční článek přivedli napětí a výsledkem byla silná emise světla. Propracovaným designem Australané dosáhli výkonové účinnosti (poměru světelného výkonu diody a jejího elektrického příkonu) vyšší než 1 %, což je účinnost srovnatelná s luminiscenčními diodami z polovodičů s přímým zakázaným pásem. Bohužel však tato technika není kompatibilní s CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá polovodičových součástek řízených elektrickým polem. K provozu stačí jen jedno napájecí napětí a spotřeba těchto elektronických snímačů je velmi malá. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře zvládnutá. Touto technologií se vyrábí světlocitlivé prvky digitálních fotoaparátorů (alternativa k CCD) a většina počítačových integrovaných obvodů včetně procesorů.   technologií a případné konstrukci laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. navíc brání i proces absorpce fotonů ve volných nosičích.

Lokalizace pohybu elektronů

Jiní vědci zvolili jiný přístup. Elektronům pohybujícím se v aktivní oblasti diody vpravili do cesty malé kuličky SiO₂ o velikostech 4÷20 nm. Přinutili tak elektrony pohybovat se pouze v určitých oblastech, ve kterých mohou být nezářivá centra lehce nasycena a ztratí tak svůj negativní účinek. Tímto způsobem lze vyrobit dobrý zdroj záření, naneštěstí však je toto záření infračervené o vlnové délce 1 215 nm, což je hranice citlivosti křemíkových fotodiod. Pokud by se podařilo posunout vlnovou délku emitovaného záření do oblasti viditelného světla, jeví se tato technologie jako perspektivní.

Křemíkové nanokrystaly

V roce 1990 ukázal anglický fyzik L. Canham, že připravíme-li křemík ve formě nanokrystalů o průměru pouhých několika nanometrů, mohou tyto nanokrystalky, excitované ultrafialovým zářením za pokojové teploty, ve viditelné části spektra emitovat světlo velmi intenzivně. Je to způsobeno tím, že křemíkové nanokrystaly mají oproti objemovému křemíku pozměněnou elektronovou strukturu. Především jsou nosiče náboje v těchto nanostrukturách více směstnány a dochází již ke kvantovým jevům. Hybnosti částic nejsou přesně určitelné, dochází k jejich „rozmazání“ a o několik řádů se tak zvyšuje pravděpodobnost zářivé rekombinace. Další výhodou je, že se zmenšujícími se rozměry nanokrystalu dochází ke zvyšování energetického zakázaného pásu atomu a vlnové délky emitovaného záření se tak zkracují. Kontrolou velikosti nanokrystalů můžeme ladit vlnovou délku emitovaného záření prakticky přes celé viditelné spektrum. Povedlo se dokonce integrovat nanokrystalové zdroje světla spolu s jinými elektronickými součástkami na jeden křemíkový substrát. Tato technologie má však i jednu nevýhodu. Při konstrukci laseru je potřeba atomy nějakým způsobem vybudit (čerpat) do vyšších energetických stavů. Nanokrystaly se obvykle nacházejí v málo vodivé struktuře z SiO₂ a je obtížné čerpat je elektrickým proudem. Používá se proto čerpání optické, které je přibližně tisíckrát slabší. To by sice stačilo pro konstrukci laseru, světelná intenzita je však na samé hranici měřitelnosti a experimenty jsou proto komplikovány mnoha parazitními jevy. Interpretace měření a tím základ pro navržení vhodné výrobní technologie laseru jsou tak velmi ztížené. Na integraci křemíkových nanokrystalových laserů do mikroelektronických čipů si budeme muset ještě počkat. Jedná se však o velmi slibnou technologii.

Nanokrystal křemíku vybuzený argonovým laserem (zelené světlo) emituje červené světlo.

První křemíkový laser

Jeden křemíkový laser už existuje. Jako první ho v roce 2004 sestrojili vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles. Využili k tomu tzv. Ramanův jevRamanův jev – záření rozptýlené od určitého materiálu má nepatrně odlišnou vlnovou délku od vstupujícího záření díky interakci s vibračními přechody v energetických stavech molekuly tohoto materiálu. Jevu lze využít pro zesílení světla., který je běžně používaný v telekomunikacích pro zesílení světelného signálu. Konstrukce tohoto laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. však vyžadovala osm metrů dlouhý optický vlnovod a laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. tak nešlo začlenit k miniaturním křemíkovým součástkám. Na přelomu let 2004 a 2005 vědci z laboratoří firmy Intel tento laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. zdokonalili a integrovali ho na křemíkový čip. Základní konstrukční částí laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. je křemíkový vlnovod ve tvaru písmene S. Vlnovod má průřez 1,6 μm² a je 4,8 cm dlouhý. Vlnovod je na jednom konci ukončen ploškou z vysoce odrazivého materiálu. Do vlnovodu se pouští laserové pulsy o vlnové délce 1 536 nm. Ty vyvolají spontánní emisi a generuje se laserový paprsek o vlnové délce 1 669,5 nm. Celé zařízení je nakreslené na následujícím obrázku:

Schematický náčrtek prvního křemíkového laseru

Nevýhodou této technologie je nutnost čerpání jiným silným laseremLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. (zde o vlnové délce 1 536 nm). Tento laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. samozřejmě není křemíkový a nemůže být tedy integrován na čip.

Závěr

Zájemce o větší podrobnosti upozorňuji na odkazy uvedené na konci tohoto bulletinu, zejména pak na článek z Československého časopisu pro fyziku, který nejenže se problémem křemíkového laseru zabývá podrobněji, ale obsahuje i mnoho odkazů na další literaturu.

Bonus: Klip: „Vrtání laserem“

Vrtání laserem. Na klipu vidíte využití výkonného pulzního laseru k vrtání chladících děr pro trysky leteckých motorů. K vrtání byl použit laser na pevných látkách o výkonu 500 W, který je schopen dodat povrchu upravovaného materiálu tok energie až 200 kW/mm². Jeden laserový puls trvá několik nanosekund. Vrtat je možné až 6 mm široké otvory. Zdroj: Lufthansa.

Odkazy