Физики разработали лазер на гетероструктуре германий-олова с электрической накачкой ( 5 фото )

Shui-Qing Yu et al./ Optica, 2020

Физики разработали и протестировали лазер на гетероструктуре германий-олова с электрической накачкой. Ширина самого узкого пика генерации составила 0,13 нанометра, а порог генерации — 598 ампер на квадратный сантиметр при температуре 10 кельвин. Сплав германий-олово хорошо совместим с кремниевой технологией и поэтому такой полупроводниковый лазер может стать отличным интегральным источником света. Статья опубликована в журнале Optica.

Любой лазер состоит из трех основных частей: накачки, активной среды и резонатора. Накачка служит источником энергии — она может быть электрической, химической, тепловой или световой. Эта энергия необходима атомам активной среды для того, чтобы перейти в возбужденное состояние и после релаксации испустить фотоны. Резонатор в простейшем случае представляет собой два зеркала и позволяет фотонам много раз пролететь через активную среду и заставить другие атомы тоже испустить фотоны. Одно из зеркал резонатора делается частично прозрачным, чтобы излучение лазера могло покинуть резонатор.

Если активная среда лазера — полупроводник, то такой источник излучения можно накачивать электрическим током. При подаче напряжения электроны и дырки полупроводника приходят в движение. Они встречаются в активной зоне и могут объединиться (рекомбинировать) с испусканием фотона. Чем больше электронов и дырок находится в активной зоне, тем вероятнее они будут рекомбинировать и тем чаще будут излучаться фотоны. Чтобы накапливать электроны и дырки, активная зона должна представлять собой подобие ямы — частицы сваливаются в нее, а выбраться обратно не могут. Создание структуры с такой активной зоной может в разы увеличить эффективность полупроводниковых лазеров.

В 2016 году группа ученых под руководством профессора Шуй-Цин Юй (Shui-Qing Yu) из университета Арканзаса продемонстрировала миниатюрный полупроводниковый лазер с оптической накачкой. В качестве активной зоны физики использовали гетероструктуру из гемания и сплава германия с оловом. В новой работе физики решили упростить схему и увеличить эффективность генерации излучения. Для этого они использовали электрическую накачку и модифицировали активную среду.


Схематичное изображение структуры в разрезе и схема ее энергетических зон при температуре 77 К

Shui-Qing Yu et al./ Optica, 2020


Изображение структуры в просвечивающем микроскопе

Shui-Qing Yu et al./ Optica, 2020

Активная среда разработанного лазера — это гетероструктура с двумя гетеропереходами. Она состоит из пяти эпитаксиальных слоев, которые один за другим выращиваются на кремниевой подложке: самый нижний слой — слой германия с избытком электронов (n-типа), за ним идет слой сплава германий-олово тоже n-типа с возрастающей снизу вверх концентрацией олова, далее самый важный внутренний активный слой германий-олово и сверху еще два слоя соединения германий-олова с кремнием p-типа (с избытком дырок). Для создания омического контакта концентрация дырок в пятом слое больше, чем в четвертом. Рентгеноструктурный анализ и электронная просвечивающая микроскопия подтвердили, что выращенные гетероструктуры имеют именно такую конфигурацию.

В качестве резонатора физики использовали волновод гребенчатого типа, который изготовили методом жидкостного травления. В работе исследовались волноводы разных длин — 0,3, 0,5, 0,8 и 1,7 нанометров. После добавления контактных площадок, структуру помещали в криостат для дальнейших измерений при низких температурах.


(a) Зависимость пиковой мощности от плотности тока накачки для волновода длиной 0,8 миллиметра при разных температурах, (b) для разных длин волноводов при 77 кельвинах, (c) порог генерации для всех длин волноводов, (d) зависимость тока от напряжения при разных температурах для волновода 0,8 миллиметра

Shui-Qing Yu et al./ Optica, 2020

Конфигурация энергетических зон разработанной гетероструктуры позволила уменьшить вероятность покидания дыркой активной области, что привело к концентрации заряженных частиц внутри этой области. За создание такого профиля энергетических зон ответственны два верхних слоя гетероструктуры, которые имеют избыточную концентрацию дырок. Скапливание зарядов в активной области привело к увеличению эффективности генерации.

Помимо этого, прием с легированием верхнего слоя структуры позволяет уменьшить пороговую плотность тока (минимальное значение, необходимое для генерации лазерного излучения) и получить мощность выше при меньшей энергии накачки. Физики получили зависимости мощности излучения лазера от температуры и длины волновода. Они показали, что увеличение температуры приводит к снижению пиковой мощности при той же плотности тока. В то же время, чем длиннее волновод, тем больше пиковая мощность при одинаковых плотностях тока и меньше порог генерации лазера. Скорее всего это связано с тем, что для длинных волноводов доля потерь на зеркалах меньше, чем для коротких.


(a) — (e) Спектры лазерного излучения для разных плотностей тока при разных температурах (вставки — в логарифмическом масштабе), (f) спектры, черный — в плохом разрешении, синий — в хорошем

Shui-Qing Yu et al./ Optica, 2020

Измерение спектра эмиссии структуры в грубом разрешении показало, что ширина спектра генерации лазера при десяти кельвинах составляет примерно 20 нанометров на длине волны 2300 нанометров. При детальном изучении спектра выяснилось, что генерация происходит на разных длинах волн и ширина самого интенсивного пика составила всего 0,13 нанометра.

Оказалось, что такой лазер может генерировать излучение с мощностью 2,7 милливатта при температуре 10 кельвин, квантовая эффективность при этом составляет всего 0,3 процента. В будущих исследованиях авторы планируют разными методами улучшать параметры лазера. Например, за счет увеличения содержания олова в сплаве можно добиться увеличения эффективности накачки, а снижение уровней легирования позволит минимизировать поглощение свободных носителей.

В настоящее время интегральная фотоника и ее приложения развиваются очень активно. Интерес к ней связан с возможностью создания компактных и дешевых устройств. Так, американские физики смогли собрать ускоритель частиц на небольшом чипе. А ученые из Массачусетского технологического института изготовили самый крупный на сегодняшний день квантовый вычислитель на интегральной схеме.

Оксана Борзенкова

Материал взят: Тут