Разделы

Наука

Нанолазеры: будущее технологии и рынка

Устройства хранения данных ждет большое будущее. При смене использующихся сегодня для записи на CD систем красных лазеров на нанолазеры, плотность записи возрастет более чем в тысячу раз. Уже имеются технические решения, способные обеспечить этот прорыв, дело за разработкой стандартов. Исследования в этом направлении ведутся во многих странах, но последние серьезные достижения связаны с именами российских ученых. Нанолазеры — это полупроводниковые наногетероструктуры, где приставка «нано-» говорит только о размере, нанометр равен 10-9 м. Сама гетероструктура — это, по сути, монокристалл, для создания которого используются два различных по своему химическому составу материала: в полупроводник вставлен чужеродный слой так, что граница между разными материалами является бездефектной (см. Рис.1). Именно это долгое время и считалось невозможным. Речь идет о тех самых двойных гетероструктурах, которые были созданы Жоресом Алферовым в 1963 году.

Рис. 1 Структура гомо- и гетеролазеров

Структура гомо- и гетеролазеров

Дальнейший прогресс в развитии полупроводниковых лазеров был связан с кванторазмерными эффектами в тонких пленках, поскольку прогресс в снижении ключевого показателя эффективности, порогового тока, фактически остановился. Это обусловлено тем, что область потенциальных носителей заряда в узкозонном слое оставалась достаточно толстой. Однако, если этот слой сделать достаточно тонким, то электрон будет испытывать интерференцию (взаимодействовать с другими пучками электронов), подобно свету на тонкой бензиновой пленке. На практике это приводит к увеличению мощности светового потока геторолазера, что создает возможность его использования в устройствах хранения данных. Появление новых физических свойств у нанолазера приводит к возможности записи на CD больших объемов информации.

Рынок устройств хранения данных

Рост рынка электроники в среднем составляет около 7% за год, что выше темпов развития, например, автомобильной промышленности. В то же время, за последние два десятилетия средняя скорость роста рынка лазеров на гетероструктурах составляет 34%, а в пиковые годы зашкаливает за 100%. В 2000 году рынок гетеролазеров соответствовал рынку всей полупроводниковой промышленности за 1980-й год.

Рост рынка электроники

Рост рынка электроники

Источник: Novel Trends in Microelectronics, 1999;
Photonics West Laser Marketplace Seminar 1999

Как видно на графике, гетеролазеры становятся ключевым элементом рынка. Рост сегмента до 300 млрд. долларов в 1999 г. был обусловлен развитием интернета. В данный показатель, в том числе, входят объемы продаж приводов для считывания и записи CD-дисков (домашние проигрыватели, компьютерные CD ROM); лазеров, используемых для передачи данных в оптических сетях связи (прежде всего, в магистральных интернет-сетях). Сейчас полупроводниковые лазеры в основном применяются в телекоммуникационном секторе, что составляет около 70% всего рынка. Для оптической записи пока используются красные лазеры. С появлением нанолазера, длина волны которого значительно короче (а следовательно, и плотность записи больше), открываются фантастические перспективы для использования этой технологии в устройствах оптической записи.

Области применения полупроводниковых лазеров в стоимостном выражении, 1999

Области применения полупроводниковых лазеров в стоимостном выражении, 1999

Источник: Strategies Unlimited

Напомним, что в начале 80-х годов для записи информации на носители использовались лазеры с длиной волны 850 нм, что позволяло записать около 300 МБ информации. Сейчас используются красные лазеры с длиной волны 650 нм и, конечно, объем записываемой на носитель информации существенно вырос — на обычный CD-диск умещается около 650 МБ. Однако, используя нанолазер, на тот же диск размером с CD можно записать более 1 ТБ информации, что составляет более 1,5 тысяч CD-дисков с широко используемой сейчас плотностью записи.

Как известно, в сегодняшних серийных механических накопителях информации — гибкие и жесткие магнитные диски, оптические накопители, магнитооптические диски, ленточные накопители (стримеры), внешние устройства на основе жестких компакт-дисков — нанолазеры еще не используются, но, по-видимому, перемены не за горами. Это также напрямую связано с ожидаемым развитием проекционного телевидения, нового поколения компьютерных игр и разнообразных телекоммуникационных устройств.

Главное препятствие для выпуска записывающих устройств на основе нанолазеров — неразработанность стандартов. Однако уже не первый год существует международный консорциум компаний, заинтересованный в решении этого вопроса. Более того, несмотря на дороговизну нанолазеров, они уже выпускаются и их можно купить. Речь идет о лазерных устройствах на основе GaN (нитрид галия) с длиной волны 410 нм. Их производит японская компания Nichia и стоят они около 2–3 тысяч долларов за штуку. Это довольно дорого и пока специалисты ищут пути подешевле.

Два подхода к увеличению плотности за меньшие деньги

Увеличивать плотность записи, помимо использования нанолазеров, можно двумя способами — применять более эффективные полупроводниковые лазеры или удваивать волну красных лазеров. Последний подход к решению проблемы — удвоение волны — хорошо себя показал при использовании, например, NbLi (ниобат лития), где происходит удвоение волны с 980 до 470 нм. В этом случае эффективность работы возрастает на 70%.

В то же время, на протяжении использования лазеров в записывающих устройствах первый подход сменяет второй, а потом его опять сменяет первый — сначала был бум удвоения частот, затем стали активно развивать устройства на основе нитридов, но, через некоторое время, вновь вернулись к удвоению частот. Чередование подходов в первую очередь обусловлено коммерческой отдачей от затрат на производство этих устройств.

По вертикали эффективнее

Между тем, промышленные лазеры на гетероструктурах пока остаются «полосковыми» (см. Рис.2), то есть излучение в них происходит параллельно плоскости поверхности (горизонтально). Несмотря на хорошие показатели этих лазеров — большую плотность мощности и доступность для получения на различных подложках, — будущее записывающих устройств все же за вертикальными лазерами (свет распространяется вертикально вверх, перпендикулярно плоскости). Физика здесь та же самая, но отражательная способность должна быть значительно выше. Эти лазеры температурно стабильны, хорошо интегрируются, поскольку могут быть очень маленькими (до микронных размеров). Кроме того, они достаточно дешевы.

Владимир Макаров, ДИТ Москвы: За 10 лет ЕМИАС стал огромным брендом, объединившим 221 информационную систему
ИТ в госсекторе

Впечатляет скорость роста рынка таких лазеров, составляющая от 140% до 200% в год. Но основным преимуществом все же является возможность создания на их основе сложных оптоэлектронных интегральных схем на одном кристалле, что, фактически, станет революцией. Практические преимущества использования пучков излучения нанолазера пока представить достаточно сложно.

Рис.2 Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах

Полосковые лазеры   Полосковые:
Свет распространяется по волноводному слою вдоль поверхности
Большая мощность (12 Вт, 100 мкм апертура). Большая плотность мощности (40 МВт/см2). Доминируют на рынке (телекоммуникации, пр.).
Вертикальные лазеры   Вертикальные:
Свет выходит наверх

«Вертикальный лазер геометрически работает, как дешевый световод, только с идеальным качеством спектра, узкой диаграммой направленности, высокой эффективностью, — говорит Николай Леденцов, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. — Можно создавать матрицы, можно много лазеров ставить на эту пластину, ведь фактически в лазерах мы переживаем тот детский период, когда работает одиночный дискретный прибор, а в транзисторах-то уже, помните, работают интегральные схемы с плотностью упаковки до 108 элементов на чип». Однако вертикальные лазеры пока коммерчески доступны только на GaAs (арсенид галия).

6 простых шагов: как импортозаместить решения в сфере информационной безопасности
Импортозамещение

Уже реализован вертикальный лазер в ультрафиолетовом диапазоне, тот самый, что нужен для оптической записи. Пока это оптическая накачка, но очень обнадNживающие результаты достигнуты при токовой (инжекционной) накачке. По словам Николая Леденцова, «это реализация вертикального лазера на основе широкозонного материала GaN, в который вставлены ряды плотных массивов очень маленьких квантовых точек InGaN».

Далее перед учеными встала задача оптимизации работы самой установки. С 1980 по 1989 годы в получении высокоэффективных нанолазеров наблюдалась относительная стагнация, прорыв в этой области связан с ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и, в частности, с работами лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур. Позднее стали проводиться совместные исследования с немецкими институтами Technische Universitat Berlin, Max-Planck-Institut и Institut fur Festkorperphysik. Российскими учеными лаборатории Жореса Алферова в 1993 г. удалось впервые создать лазер на квантовых точках и достигнуть большого прогресса в его совершенствовании. Лазер на квантовых точках стал более мощным.

Будущее нанолазеров: США, Европа или Япония?

До недавнего времени Европа сильно отставала по одному из ключевых показателей — производству пластин для полупроводниковых гетероструктур. Последние производятся двумя способами: на основе метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и метода газофазной эпитаксии (ГФЭ). В 1998 году в странах Европы производилось только 5% мировых пластин — около 2% методом МПЭ (общий объем производства в мире составил 1111 килоквадратных дюймов) и 3% методом ГФЭ (1090 килоквадратных дюймов).

Страны-производители пластин для полупроводниковых гетероструктур по методу МПЭ, 1998

Страны-производители пластин для полупроводниковых гетероструктур по методу МПЭ, 1998

Источник: Strategy Analytics

Страны-производители пластин для полупроводниковых гетероструктур по методу ГФЭ, 1998

Страны-производители пластин для полупроводниковых гетероструктур по методу ГФЭ, 1998

Источник: Strategy Analytics

Но в последнее время ситуация претерпевает существенные улучшения, поскольку только на развитие нанотехнологий в бюджете ЕС выделено около 1 млрд. евро, а финансирование 6-й программы ЕС, направленной на развитие технологического общества, составило 1,7 млрд. евро. В то же время лидером в производстве нанолазеров остается Япония, за которой с небольшим отрывом идут США.

В России основные исследования в этом направлении ведутся в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, а также в Институте физики полупроводников (Новосибирск). В Институте нанотехнологий Международного фонда конверсии CNews.ru подтвердили проведение исследований по нанолазерам, но отказались комментировать полученные результаты. Директор фонда, пояснил, что «рано».

Примечательно, что современные лидеры рынка пока серьезно не рассматривают нанолазеры в качестве нового решения для устройств хранения данных большой емкости. В частности, как сообщили CNews.ru в корпорации Sony, ни в одной из 1700 фирм, входящих в этот холдинг, разработки в сфере нанолазеров пока не ведутся.

Редакция выражает свою признательность профессору Николаю Леденцову за помощь в подготовке материала и предоставленные иллюстрации. Подробнее об изучении наноструктур можно прочесть здесь.