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JAMP’99

Departamento de Tecnología Fotónica

E.T.S.I.Telecomunicación-UPM

LÁSER DE SEMICONDUCTOR

Prof. José Antonio Martín Pereda

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: ANTECEDENTES (I)

La primera propuesta, segúnla mayoría de los estudiosrealizados, la hizo John vonNeumann, en el verano de1953, en una comunicaciónprivada a Edward Teller. Enella analizaba las posibilidadesde amplificar la luz mediante eluso de semiconductores.Según parece, von Neumannno siguió adelante con susideas, y el manuscrito originalquedó depositado en laBiblioteca del Congreso deUSA. En 1963 se dio laprimera noticia de suexistencia y, finalmente, sepublicó por primera vez en1987 (J. Von Neumann, “Notes on thePhoton-Disequilibrium-Amplification Scheme(JvN), September 16, 1953”, IEEE J of Q.E.,23, 659 (1987))

Johann von Neumann (1903-1957)

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: ANTECEDENTES (II)

El 22 de abril de 1957, los japoneses Y. Wtanabe yJ. Nishizawa presentaron una patente, publicada el 20 deseptiembre de 1960 en la que se consideraba la radiaciónpor recombinación en semiconductores mediante lainyección de portadores libres. El título de la patente era“Maser de semiconductor” y en ella se consideraba,específicamente, el caso de la posible radiación a 4 en eltelurio. El planteamiento que hacían era el de introducir alsemiconductor en una cavidad resonante del tipo de lasempleadas en la región de las microondas.

Esquema original de la patente deWatanabe y Nishizawa. 3: telurio. 2:cavidad resonante. Huecos desde laregión 4 se inyectan en 1 y serecombinan con electrones libres. Loselectrodos 5 y 6 aportan los contactoseléctricos. Los terminales de salida 7y entrada 8 señalan el paso de laradiación.

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Tras varias propuestas de carácter teórico, concaminos más o menos afortunados, la posibilidad deobtener emisión estimulada en semiconductores mediantela transición entre las bandas de conducción y de valencia,que fue la que realmente tenía sentido, fue realizada en1961 por Bernard y Duraffourg (M G A Bernard y G Duraffourg, “Laser

conditions in semiconductors”, Phys. Stat. Sol., 1, 699-703 (1961)).En ella,mediante la aplicación del concepto de niveles de Fermideterminaron la condición que debería cumplirse entre loscorrespondientes a los de las dos bandas en juego, laenergía de la banda prohibida y la frecuencia de laradiación incidente, para que pudiera aparecer emisiónláser en semiconductores.

En enero de 1962, Nasledov y su grupo (D.N.Nasledov et al., “Recombination radiation of gallium arsenide”, Soviet Phys.-Solid

State, 4, 782 (1962)), en Leningrado, apuntaron el hecho de queen una unión p-n de GaAs, a 77º K, habían obtenido unaradiación que se estrechaba espectralmente para altasdensidades de corriente (1,5 x 103 A cm-2) lo podía ser unsigno de emisión estimulada.

Poco después, en junio de 1962, Keyes y Quist,de los Lincoln Labs, anunciaron que habían fabricadodiodos de GaAs con una eficiencia cuántica interna quesuperaba el 85 %. (R.J. Keyes y T. M. Quist, “Recombination radiationemitted by Gallium Arsenide”, Proc. IRE, 50, 1822-1823 (1962)).

Con todo lo anterior, el camino para una rápidaobtención de láseres de semiconductor estaba abierto.

LÁSER DE SEMICONDUCTOR: ANTECEDENTES (III)

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Hall, R.N., G.E.Fenner, J.D.Kingsley, T.J.Soltys, y R.O. Carlson, "Coherent Light Emissionfrom GaAs Junctions", Phys. Rev. Letters 9, 366 (1962).Nathan, M.I., W.P. Dumke, G. Burns, F.H. Dills, y G. Lasher, "Stimulated Emission of Radiationfrom GaAs p-n Junctions", Appl. Phys. Letters 1, 62 (1962).Quist, T.M., R.J. Keyes, W.E. Krag, B. Lax, A.L. McWhorter, R.H. Rediker, y H.J. Zeiger,"Semiconductor Maser of GaAs", Appl. Phys. Letters 1, 91 (1962).

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (I)

En Julio de 1962 gran parte de los resultadosanteriores se discutieron en la Solid State Device ResearchConference, en Durham, NH, y un par de meses después,de manera casi simultanea, varios grupos anunciaron laobtención de acción láser en uniones p-n de GaAs. Entodos los casos, la forma de trabajo era a 77ºK,bombeando con picos de corriente de alta intensidad yunos pocos microsegundos de duración.

Los grupos que obtuvieron acción láser fueronlos de General Electric Research Laboratories, enSchenectady, NY., de IBM, en Yorktown Heights, NY, y deLincoln Laboratories del MIT. Los artículos en los quedieron noticia de su trabajo fueron:

R.N. Hall M.I. Nathan R.H. Rediker

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (II)

EL LÁSER DE “GENERAL ELECTRIC” (I)

El dispositivo de Hall se llevó a cabo en un cubo de0,4 mm de arista, con la unión situada en un plano horizontalque pasaba a través del centro. Las caras frontal y posterior sepulieron paralelas la una a la otra y perpendiculares al plano dela unión, de manera que configuraran la cavidad resonante. Lacorriente que se aplicó fue en forma de pulsos de 5-20 s deduración, con el diodo polarizado en directa e inmerso ennitrógeno líquido. La corriente umbral fue de 8500 A/cm-2. Elestudio del posible efecto láser se hizo observando el patrón dela radiación emitida y su espectro. Por debajo del umbral, elespectro era de 12,5 nm pasando en el umbral a 1,5 nm.

La idea inicial fue ligeramentediferente, en lo que se refiere a lasituación de la unión con respecto ala cavidad: en la versión inicialúnicamente ocupaba parte de lamisma.

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (III)

EL LÁSER DE “GENERAL ELECTRIC” (II)

Entre los aspectos quecomenta Hall le fueronfundamentales para llegar aldesarrollo de la configuraciónadecuada para el laseado elmás significativo fue el habertrabajado previamente endiodos túnel. A través de ellosllegó a concebir la idea de quelas poblaciones degeneradasde electrones y huecos podíanllegar a entremezclarsemediante la aplicación de unapolarización en directa a launión. Cuando pasó al láser sedio cuenta que aquellorepresentaba la inversión depoblaciones necesaria.

Un hecho que caracterizacómo se trabajaba en esosdías es el que refleja elsiguiente párrafo de Hall:“…During this period … Dr. Bernard had dropped in forone of his annual visits, and Ihave to carry on a discussionof varios topics relating tosemiconductor lasers withoutbeing able to tell him aboutour results. How I wanted totake him into the adjoiningroom where I could show hima laser in operation!”. Sincomentarios. Dr. Bernardhabía dado la idea básicahacía unos meses.

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (IV)

EL LÁSER DE “IBM” (I)

El sistema empleado por Nathan fueligeramente distinto del de Hall.Comenzaron con uniones de GaAsrealizadas por difusión de Zn enGaAs dopado con Te. La principaldiferencia con respecto a otraspropuestas fue la no existencia decavidad. El parámetro a medir fue elespectro de emisión, que deberíaestrecharse al producirse la emisiónestimulada. Los pulsos empleadosfueron de alrededor de mediomicrosegundo y segúnincrementaba la corriente notaronque el pico de emisión sedesplazaba a mayores longitudesde onda debido al calentamiento.Reduciendo la anchura del pico decorriente a unos 3.103 A/cm2 elespectro se estrechó de 12 nm a 9nm y finalmente a 3 nm. Era laprueba de la emisión estimulada.

M.I. Nathan

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (V)

EL LÁSER DE “LINCOLN LABS.” (I)

R.H. Rediker

Las tres posibilidades que se analizaron de acciónláser en semiconductores, en un Informe internoen los Lincoln Labs, a mediados de los 50, fueron:1) estados iniciales y finales en la misma bandade energía, 2) estados en dos bandas separadaspor una banda prohibida directa, y 3) idem conbanda prohibida indirecta. Zeiger indicó lanecesidad de una cavidad a ambos lados de lazona de unión p-n. La adopción de banda directafue inmediata y el principal problema quedó en larealización de la cavidad. Quist señaló laposibilidad del tallado para configurar las caras.

Intentando buscar una aplicación al posible láser, conLEDs previos realizaron una transmisión de TV por el aire, a 84m. De distancia, a través de los tejados del MIT yposteriormente a 50 km desde la cima del monte Wachusett alos tejados de los Lincoln. El resultado, exitoso, apareció en larevista TIME. Su comentario fue:“If the world is ever affectedwith a choice between thousands of different TV programs, afew diodes with their feeble beams of infrared light might carrythem all at once”. Rediker señaló a Lax que quizás el trabajo dedesarrollar un láser de semiconductor se retrasaba por elintento de “vender” el resultado antes de obtenerlo. Nadie pensó que la competición fuera tan ajustada.

Un viernes, a finales de octubre de 1962, vieron losprimeros filamentos de luz, con un visor de infrarrojos.

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (VI)

EL LÁSER DE “LINCOLN LABS.” (II)

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Fotografía del primer láser de semiconductorde los Lincoln Labs. La foto está tomada deuna fotocopia de una foto tomada en 1962,cuyos negativos originales no se conservan.

Vista próxima del láser con su soporte

Dibujo de algunos detalles del soporte

Dibujo de una de las configuracionesusadas en 1963.

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (V)

¿HUBO UN CUARTO LÁSER?: EL OTROLÁSER DE “GENERAL ELECTRIC” (I).

Al mismo tiempo que GeneralElectric desarrollaba un láserde semiconductor enSchnectady, en Syracuse,NY, otro grupo intentabaobtener también el mismodispositivo. El jefe del grupoera Nick Holonyak y habíaasistido también a laconferencia de Quist. Su ideafue la de emplearsemiconductores ternarios enlugar de los binarios queempleaba el resto de losgrupos. Empleó Ga(As1-xPx)para uniones p-n polarizadasen directa. Los diodos teníanuna estructura similar a la delresto. Con ellos obtuvieronemisión en la región de 600-700 nm en lugar de a los 840nm de los otros grupos.

N. Holonyac, Jr.

N Holonyak Jr y S F Bevacqua, “Coherent (visible)light emission from Ga(As1-xPx) junctions”, Appl.Phys. Lett., 1, 82-83. Dec. 1, 1962.

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: NACIMIENTO (VI)

¿HUBO UN CUARTO LÁSER?: EL OTROLÁSER DE “GENERAL ELECTRIC” (II).

Anotación del libro deregistro de Holonyac, del 11de octubre de 1962, refrente

a la emisión de radiaciónestimulada.

Patente mostrando cómo tallarel semiconductor ternario paraformar la cavidad láser.

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LÁSER DE SEMICONDUCTOR: DESARROLLO (I)

EL LÁSER DE HETEROUNIÓN

La principal contribución para eluso de láseres de semiconductoren condiciones normales detrabajo fue hecha por M.B.Panish y su equipo, en loslaboratorios de la Bell, a partir de1967. Para ello introdujeronestructuras de heterounión enlas que, debido a unconfinamiento más fuerte delcampo eléctrico, podíaalcanzarse el laseado concorrientes de trabajo mucho másreducidas. La desnidad decorriente necesaria, en losprimeros láseres fue de unos1600 A.cm-2. En 1969-70 seconsiguió que trabajasen atemperatura ambiente.

Esquema y estructura física del láserde heteroestructura de Panish.

I. Hayashi, M.B. Panish y P.W. Foy,“A low-threshold room-temperature injection laser”,IEEE J. Quantum Electronics, 5,211 (1969)