Учёные сумели повысить мощность полупроводниковых лазеров с помощью барьерных слоёв, препятствующих утечке 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. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Luminescence.
Российские учёные 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 твёрдых 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 твёрдых 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 её, введя в гетероструктуру барьерный слой для электронов. В дальнейшем мы планируем искать новые варианты самой конструкции лазера, которая позволит ещё больше повысить эффективность устройства», — рассказал руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Александр Подоскин.
Авторы формировали гетероструктуры в специализированной установке, где из молекул высокочистых соединений на подложку последовательно осаждались монокристаллические слои заданного состава. В экспериментах учёные исследовали образцы с различным количеством и расположением барьеров: первый без барьерных слоёв, второй — с одним таким слоем, не позволяющим электронам «пролететь» мимо активной зоны, третий — с таким же слоем, но на пути «дырок», четвёртый 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. Её показатели оказались в два раза выше, чем у исходного материала без барьерных слоёв. 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.Лазерный диод на двойной гетероструктуре
«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.
Увеличение мощности полупроводниковых лазеров за счёт создания барьерных слоёв, 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 идёт 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 ещё полтора десятилетия назад казалось фантастикой, сообщил профессор кафедры общей физики МФТИ Владимир Петухов.
«Можно сказать, что, безусловно, есть достижение, позволяющее создавать более совершённые гетероструктуры полупроводниковых лазеров, однако оценить степень его на производство полупроводниковых лазеров пока невозможно вследствие недостатка информации», — сказал он.
Источник новости: habr.com
