Новая активная среда для длинноволновых лазеров
В Институте физики микроструктур РАН разработаны оптимальные дизайны структур на основе теллурида ртути и кадмия (HgCdTe) с целью создания излучателей в диапазоне длин волн от 10 до 31 мкм. Актуальность данного направления обусловлена тем, что многие прикладные задачи все ещё нуждаются в компактных полупроводниковых лазерах, излучающих в длинноволновой части среднего инфракрасного ИК диапазона. Несмотря на наличие широкой линейки квантовых каскадных лазеров (ККЛ) с увеличением длины волны выше 20 мкм их характеристики существенно снижаются. Причиной этого является сильное решёточное поглощение в тех материалах, на основе которых традиционно изготавливаются ККЛ: арсениды галлия и алюминия, фосфид индия и другие полупроводниковые соединения на основе элементов 3 и 5 группы.
Альтернативой ККЛ в «длинноволновой» области 15–30 мкм являются межзонные лазеры на основе узкозонных полупроводников, в частности, халькогенидов PbSnSe(Te) или HgCdTe. Принцип работы межзонных лазеров значительно проще, чем у ККЛ и не предъявляет настолько высоких требований к ростовой технологии. В длинноволновых межзонных лазерах важнейшим ограничивающим фактором является безызлучательная оже-рекомбинация. В этом процессе энергия рекомбинации электрона и дырки не используется для генерации света, а передаётся третьей частице и, в конечном счёте, уходит на нагрев рабочей области прибора. Однако, как и в случае излучения кванта света, при оже-процессе должны сохраняться энергия и квазиимпульс частиц. Это становится невозможно, если энергия частицы зависит от её квазиимпульса по гиперболическому закону, как в релятивистской физике, а не по классическому квадратичному (рис. 1), и, таким образом, оже-рекомбинация оказывается полностью подавленной. Подобной ситуации удалось добиться в гетероструктурах c квантовыми ямами (КЯ) на основе теллуридов кадмия и ртути HgTe/CdHgTe. Требуемая толщина КЯ – всего несколько атомных слоёв материала, и реализовать такие структуры удалось благодаря значительному прогрессу в технологии эпитаксиального роста HgCdTe, достигнутому в Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН в последние годы.
В структурах, выращенных в ИФП СО РАН по предложенным в ИФМ РАН дизайнам, удалось получить стимулированное излучение (СИ) вплоть до длины волны 31 мкм [1], которая на сегодняшний день лежит за пределами возможностей всех существующих ККЛ. Для этого, в том числе, была предложена оригинальная идея использования эффекта сильного отражения от подложки арсенида галлия в так называемой области «остаточных лучей», благодаря чему удалось обеспечить максимальный фактор оптического ограничения при минимизации совокупной толщины волновода.
Кроме того, в работе нижегородцев [1] было непосредственно показано, что рекомбинация электронов и дырок определяется преимущественно процессом испускания излучения, а не оже-рекомбинацией, которая существенно подавлена. Это открывает беспрецедентные возможности по созданию источников излучения с высокой эффективностью в среднем и дальнем ИК диапазоне, которые могут быть конкурентоспособны как с лазерами на основе халькогенидов свинца-олова, так и ККЛ.
Работа выполнена в рамках проекта Научного центра мирового уровня «Фотоника», соглашение с Минобрнауки 075-15-2020-906.
[1] Coherent Emission in the Vicinity of 10 THz due to Auger-Suppressed Recombination of Dirac Fermions in HgCdTe Quantum Wells / S. V. Morozov, V. V. Rumyantsev, M. S. Zholudev, A. A. Dubinov, V. Y. Aleshkin, V. V. Utochkin, M. A. Fadeev, K. E. Kudryavtsev, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, V. I. Gavrilenko, and F. Teppe // ACS Photonics. – 2021. – Т. 8. – №12. – С. 3526–3535. DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01111
Владимир Румянцев,
старший научный сотрудник ИФМ РАН
