Барьерные слои позволили увеличить мощность полупроводниковых лазеров на 30%

Ученые определили, что повысить мощность полупроводниковых лазеров можно с помощью барьерных слоев, препятствующих «утечке» электронов из активной зоны лазера, в которой генерируется излучение. Такие слои не дают заряженным частицам на больших скоростях пролетать мимо активной зоны, в результате чего последние накапливаются там и создают более мощный световой импульс. Предложенный авторами подход позволит заметно увеличить эффективность существующих лазеров, применяемых для передачи информации, а также в устройствах для измерения дальности. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Luminescence.

Полупроводниковые лазеры, 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. Такие лазеры 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. Эти 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». При этом примерно на середине их пути расположена активная область — место, попадая в которое электроны и «дырки» объединяются — рекомбинируют, что приводит к испусканию излишков энергии после их взаимодействия в виде света.

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 имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и Научно-исследовательского института «Полюс» имени 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 частиц, утекающих мимо активной зоны, практически не наблюдается.

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 мощность оказалась 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». Соответственно, именно они обычно «пролетают» мимо активной зоны, что и вносит основной вклад в уменьшение мощности излучения.

«Нам удалось выявить 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. Кроме того, 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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Подоскин, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН.