Усилие света: ученые сумели повысить мощность полупроводниковых лазеров
Ученые сумели повысить мощность полупроводниковых лазеров с помощью барьерных слоев, препятствующих утечки электронов из активной зоны прибора, в которой генерируется излучение. Такие слои не дают заряженным частицам на больших скоростях пролетать мимо, в результате чего они накапливаются и создают более мощный световой импульс. Предложенный подход позволит заметно увеличить эффективность существующих лазеров, диагностических систем, а также устройств для измерения дальности.
Электрон не убежит
Российские ученые придумали, как повысить мощность полупроводниковых лазеров. Приборы, излучающие свет с длиной волны около 1550 нанометров в инфракрасном диапазоне, используются для передачи информации на большие расстояния: десятки, сотни и тысячи километров, а также в автомобильных лидарах — устройствах для измерения дальности и получения 3D-изображений окружающего пространства. Также их используют в системах медицинской диагностики и в приложениях, связанных с обеспечением безопасности.
Эти приборы создают из многослойных кристаллических материалов — гетероструктур — на основе твердых растворов из алюминия, галлия, индия и мышьяка, поскольку они способны излучать свет в требуемой области инфракрасного диапазона. Гетероструктуры устроены таким образом, что при подаче напряжения через них в противоположные стороны начинают двигаться частицы-носители электрического заряда. Условно, справа налево перемещаются отрицательно заряженные электроны, а в обратном направлении — положительно заряженные квазичастицы, называемые «дырками».
Чтобы создать максимально мощный лазер, нужно сделать так, чтобы все электроны и «дырки» попадали в активную область и оставались там. Однако на практике некоторые частицы «пролетают» мимо этой зоны — этот процесс называется «утечкой носителей заряда».
Специалисты из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и научно-исследовательского института «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха (Москва) создали гетероструктуры на основе твердых растворов алюминия, галлия, индия и мышьяка, в разных частях которых разместили барьерные слои из тройного соединения алюминия–индия–мышьяка. Через такие барьеры частицам оказывается сложно пройти из-за недостатка энергии, и в результате вероятность захвата частиц в активную область приближается к 100%, а тех, которые бы утекали мимо активной зоны, практически не наблюдается.
— Нам удалось установить основную причину потери мощности полупроводниковых лазеров и устранить ее, введя в гетероструктуру барьерный слой для электронов. В дальнейшем мы планируем искать новые варианты самой конструкции лазера, которая позволит еще больше повысить эффективность устройства, — рассказал руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Александр Подоскин.
Барьерные перспективы
Авторы формировали гетероструктуры в специализированной установке, где из молекул высокочистых соединений на подложку последовательно осаждались монокристаллические слои заданного состава. В экспериментах ученые исследовали образцы с различным количеством и расположением барьеров: первый без барьерных слоев, второй — с одним таким слоем, не позволяющим электронам «пролететь» мимо активной зоны, третий — с таким же слоем, но на пути «дырок», четвертый образец содержал два барьерных слоя как для электронов, так и для «дырок».
Затем авторы исследовали мощность излучения полученных образцов, подавая на них электрический ток одинаковой величины. Эксперимент показал, что наибольшей мощностью обладает гетероструктура с одним барьерным слоем для электронов. Ее показатели оказались в два раза выше, чем у исходного материала без барьерных слоев. При этом попытка поставить барьер на пути «дырок» не дала значимых улучшений.
Это можно объяснить тем, что электроны в используемых авторами материалах — гораздо более подвижные частицы, их скорость перемещения по материалу выше, чем у «дырок», рассказали авторы эксперимента. Соответственно, именно они обычно «пролетают» мимо активной зоны, что и вносит основной вклад в уменьшение мощности излучения.
— Для нас оказалось неожиданным, что один барьерный слой для электронов оказался эффективнее, чем два — для электронов и для «дырок». Поэтому мы будем также искать причины такого результата, — отметил Александр Подоскин.
Мощно и экологично
Увеличение мощности полупроводниковых лазеров за счет создания барьерных слоев, препятствующих утечке электронов из активной зоны лазера, — крупное достижение, подтвердил профессор, заведующий кафедрой физики НИТУ МИСИС Иван Ушаков.
— Совокупные характеристики разрабатываемых лазерных установок существенно выше характеристик имеющихся аналогов, — сказал он.
В электронике идет непрерывная эволюция материалов, как с точки зрения миниатюризации, так и с точки зрения расширения полезных свойств, сказал «Известиям» доцент кафедры математического моделирования и искусственного интеллекта СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Диваков.
— В технологиях электроники используется очень много вредных для окружающей среды веществ, много кислотных и щелочных процессов, различные виды пластиков и прочих высокомолекулярных соединений, которые порой очень сложны в утилизации. Представленные же коллективом авторов структуры более экологичные, что также для электронного производства весомое достоинство, — рассказал эксперт.
Полупроводниковые лазеры инфракрасного диапазона востребованы во многих областях, и достигнутые параметры таких лазеров впечатляют, например, плотность мощности излучения на выходном торце составляет несколько десятков мегаватт на квадратный сантиметр в непрерывном режиме, что еще полтора десятилетия назад казалось фантастикой, сообщил профессор кафедры общей физики МФТИ Владимир Петухов.
— Можно сказать, что, безусловно, есть достижение, позволяющее создавать более совершенные гетероструктуры полупроводниковых лазеров, однако оценить степень его на производство полупроводниковых лазеров пока невозможно вследствие недостатка информации, — сказал он.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в Journal of Luminescence.
