Инженеры из Стэнфордского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли сконструировали полупроводниковый лазер на квантовых точках с рекордно низким порогом генерации.

Основой устройства служит выращенная по методу молекулярно-лучевой эпитаксии пластина из арсенида галлия, толщина которой составляет 220 нм. В ходе изготовления в её объёме были созданы три слоя квантовых точек (фрагментов полупроводника, ограниченных по всем трём пространственным измерениям) из арсенида индия. Затем пластину превратили в фотонный кристалл — структуру с периодически изменяющимся показателем преломления. Чередование показателей задавалось самым простым способом: в заготовке проделали круглые отверстия, расположенные в виде упорядоченного массива.

«Эти отверстия играют роль зеркал, отражающих фотоны обратно к центральной области пластины», — поясняет участница исследования Елена Вучкович (Jelena Vučković).

Такой тип конструкции специалистам уже известен. Его достоинствами называют чрезвычайно низкий порог генерации, измеряемый в нановаттах, способность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре и простота объединения с волноводами на оптоэлектронных интегральных схемах. К сожалению, всё это относится к лазерам с непрактичной оптической накачкой; реализовать эффективную электрическую накачку в описанной схеме очень трудно.

Рис. 1. Сверху расположена схема нового лазера, а снизу — микрофотография готового устройства. Область собственной электропроводности в центре пластины сужается, чтобы направить ток в активную область лазера. (Иллюстрация Jelena Vučković).

Пытаясь решить проблему электрической накачки, авторы попробовали направить ток к активной области лазера с помощью p-i-n-перехода, контакта областей дырочной (p) и электронной (n) проводимости и собственного (нелегированного, i) полупроводника. Для этого в участки пластины, расположенные симметрично относительно центра, методом ионной имплантации ввели ионы бериллия и кремния, создав области р- и n-типа. Центральную часть пластины оставили нетронутой.

В экспериментах учёные наблюдали лазерное излучение при температуре ниже 150 К. Порог генерации находился на уровне 181 нА при 50 К и 287 нА при 150 К. По утверждению авторов, такие показатели можно считать рекордными для полупроводниковых лазеров с электрической накачкой. Если учесть, что приложенное напряжение составляло 1,15 В (50 К) и 1,03 В (150 К), можно рассчитать мощность, потребляемую на пороге генерации; она окажется равной 208 и 296 нВт.

Основным недостатком нового лазера станет его низкая рабочая температура. Г-жа Вучкович, впрочем, надеется, что оптимизация процесса изготовления позволит приблизить эту температуру к комнатной.

Рис. 2. Зависимость зарегистрированной с помощью спектрометра выходной мощности лазера от тока накачки. Полная мощность лазерного излучения, по оценке авторов, должна примерно на три порядка превосходить указанные значения. (Иллюстрация из журнала Nature Photonics).

Рис. 3. Зависимость ширины линии излучения лазера от тока накачки и спектр при токе в 1 мкА (иллюстрация из журнала Nature Photonics).

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Bryan Ellis, Marie A. Mayer, Gary Shambat, Tomas Sarmiento, James Harris, Eugene E. Haller & Jelena Vučković Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser. – Nature Photonics. – 2011. – 5. – P. 297–300; Published online 24 April 2011; doi:10.1038/nphoton.2011.51.