Лазерный мир

Работы учёных из Московского физико-технического института (МФТИ) изменили представление о возможностях полупроводников на основе чистых материалов. Речь идёт о реализации ключевого для работы лазеров и светодиодов эффекта — суперинжекции — в чистых материалах, таких как алмаз и нитрид галлия, при комнатной температуре. Ранее это считалось неосуществимым.

Что такое суперинжекция и почему она считалась невозможной в алмазах?

В обычном светодиоде, чтобы он засветился, нужно создать в полупроводнике избыток электронов и дырок (носителей заряда) и заставить их рекомбинировать, излучая фотоны. Суперинжекция — это состояние, когда концентрация этих «лишних» носителей заряда в активной зоне устройства превышает их концентрацию в прилегающих слоях. Это фундаментальное условие для генерации лазерного излучения.

Проблема с такими материалами, как алмаз, в их исходно высокой чистоте и в широкой запрещённой зоне. В них мало свободных носителей заряда, и потому считалось невозможным создание высокой концентрации носителей, необходимой для суперинжекции.

Считалось, что эффективная суперинжекция возможна только в гетероструктурах — в многослойных системах из разных по составу материалов (например, арсенид галлия-алюминия).

💡 Суть открытия МФТИ

Российские ученые показала, что суперинжекции можно достичь и в чистых материалах, создавая многослойные структуры на их основе, в которых на границах слоев или в центральной области концентрация носителей резко возрастает.

В частности, Игорь Храмцов и Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ МФТИ, показали, что в алмазных p-i-n-диодах (структурах с областями p-типа, i-типа (нелегированной) и n-типа) можно достичь суперинжекции при комнатной температуре. В таких диодах область n-типа легирована фосфором, а p-типа — бором.

Суперинжекция в алмазном диоде позволяет превзойти ранее считавшуюся максимальной концентрацию электронов в алмазе в 10 000 раз. Эффект в алмазе оказался в 50–100 раз сильнее, чем в большинстве полупроводниковых светодиодов и лазеров на основе гетероструктур.

Почему это интересно?

Раньше подобные эффекты в чистых полупроводниках наблюдались лишь вблизи абсолютного нуля. Теперь их добились в обычных условиях комнатной температуры.

Это открыло дорогу к созданию полупроводниковых лазеров на алмазах и нитриде галлия. Такие лазеры потенциально могут быть компактнее, эффективнее, они могли бы работать в более жёстких условиях (из-за исключительной теплопроводности алмаза) и на новых длинах волн.

На основе алмаза можно создать эффективные синие, фиолетовые, ультрафиолетовые и белые светодиоды, которые будут в тысячи раз ярче, чем предсказывали предыдущие теоретические расчёты. Такие источники могут пригодиться, например, в системах Li-Fi и в передатчиках систем оптоволоконной связи.

Результаты исследования были в 2019 году опубликованы в журнале Semiconductor Science and Technology (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ab0569/meta). Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Кто ещё в мире работает над этим?

Исследования в области широкозонных полупроводников (к ним относятся алмаз и нитрид галлия) для фотоники — одно из самых «горячих направлений» в мире.

• США: Массачусетский технологический институт (MIT) активно исследуют квантовые сенсоры и источники одиночных фотонов на основе дефектов в алмазах (NV-центры).
• США: Стэнфордский университет ведет работы по интеграции алмазных фотонных структур с чипами для квантовых вычислений.
• Япония: Университеты Японии (Токийский, Университет Васэда) весьма активны в исследованиях и производстве нитрида галлия. В частности, учёные из этих университетов работают над мощными лазерами синего и ультрафиолетового диапазона для телекоммуникаций (в частности, подводных), медицины и промышленности.
• Европа: В рамках программ ЕС идут масштабные проекты по использованию нитрида галлия для создания эффективных микролазеров и элементов фотонных интегральных схем (ФИС).

© Алексей Бойко, MForum.ru

Источник: https://www.mforum.ru/news/article/128834.htm