Исследователи из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработали новые методы получения полупроводниковых материалов, которые позволят создавать мощные и компактные лазеры, превосходящие по характеристикам существующие аналоги.

В последнее десятилетие достижения в области технологии роста многослойных структур различных полупроводниковых материалов (гетероструктур) привели к широкому внедрению мощных полупроводниковых лазеров в различные сферы жизни: от машиностроения и обработки материалов до медицины и энергетики. К плюсам таких устройств можно отнести высокую надежность и энергоэффективность. Однако существующие технологии и подходы к производству мощных полупроводниковых лазеров и систем на их основе подошли к пределу по излучаемой мощности, при сохранении компактности и энергоэффективности лазерной системы в целом. Поэтому дальнейшее развитие мощных полупроводниковых лазеров требует разработки новых конструкций и методов получения гетероструктур.

Одним из широко распространенных методов создания таких материалов является эпитаксия из газовой фазы – это контролируемый и высокоточный процесс создания гетероструктур (последовательное наращивание монокристаллических слоев полупроводниковых материалов со строго заданными оптимальными свойствами в условиях сверхчистых газовых камер с прецизионным контролем всех параметров процесса).

«Одно из направлений нашего большого проекта связано с повышением яркости и эффективности мощных полупроводниковых лазеров. Основой для этого является разрабатываемая нами технология селективной многостадийной эпитаксии полупроводниковых наногетероструктур. Она позволяет создавать многомерные 3D-структуры, которые уже имеют области усиления и волноводы, что важно для мощных полупроводниковых лазеров с высокой яркостью. Технология является ключевой для создания новых высокоэффективных и компактных полупроводниковых лазеров», – рассказывает доцент кафедры фотоники СПБГЭТУ «ЛЭТИ», руководитель Центра физики наногетероструктур ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Никита Пихтин.

Установка для производства гетероструктур

Научная группа впервые описала закономерности изменения пространственной организации материалов в процессе селективной эпитаксии. Разработанные методы целиком охватывают процесс создания лазерных систем – от выращивания гетероструктур до изготовления компонентов лазерных систем (лазеров, переключателей и проч.). Параллельно ученые изучают оптические и электрические характеристики полученных наногетероструктур.

«Предложенные нами методы позволяют выращивать наногетероструктуры с более высокими оптическими свойствами по сравнению с существующими аналогами. Созданные на основе этих материалов прототипы устройств являются очень компактными – их можно разместить на чипе. Сегодня такие лазеры актуальны как для российских, так и для зарубежных производителей передовых автономных транспортных систем. Например, беспилотным автомобилям для ориентирования в пространстве необходимы лазерные радары (лидары)», – поясняет магистрант кафедры базовой оптоэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», лаборант ФТИ им. А.Ф. Иоффе Илья Шушканов.

Исследования, связанные с разработкой технологии селективной многостадийной эпитаксии полупроводниковых наногетероструктур, являются частью реализуемого проекта, который был поддержан грантом №19–79–30072 Российского научного фонда в 2019 году. Итогом проекта станет комплекс теоретических наработок и различных методов получения наногетероструктур для создания мощных полупроводниковых лазеров нового поколения.