Физикам из Московского физико-технического института и Института физики микроструктур РАН удалось решить проблему генерации лазерного излучения дальнего инфракрасного диапазона в полупроводниковых структурах. Ключом к ее решению было использование квантовых ям теллурида кадмия-ртути. Эти соединения были давно известны в фотонике и электронике, однако их ключевая особенность для лазерных приложений оставалась нераскрытой. Работа опубликована в журнале ACS Photonics.
В полупроводниковом диодном лазере излучение возникает при взаимном уничтожении электронов проводимости и дырок — вакантных мест на заполненных электронных орбиталях. Этот процесс называется излучательной рекомбинацией. Однако излучение света при рекомбинации электрона и дырки не является единственно возможным исходом. Наряду с испусканием фотона высвобождающаяся энергия может уйти на раскачку колебаний решетки кристалла. Но наиболее критическим процессом рекомбинации является такой, где энергия электрон-дырочной пары тут же уходит на нагрев других электронов, вместо полезной генерации света. Такой процесс «растраты» электрон-дырочных пар в тепло называют оже-рекомбинацией — в честь французского физика Пьера Оже, впервые изучившего этот эффект.
Скорость губительного оже-процесса драматически возрастает в полупроводниках с малым энергетическим расстоянием между уровнями электронов и дырок (говоря научными терминами, с малой шириной запрещенной зоны). Можно сказать, чем ближе друг к другу электрон и дырка (по шкале энергий), тем сильнее их желание ко взаимной аннигиляции с выделением тепла. Однако полупроводники именно с малой шириной запрещенной зоны требуются для создания лазеров дальнего инфракрасного диапазона, излучающих на длинах волн в десятки микрон. И именно эти лазеры востребованы в исследованиях биологических объектов и задачах газовой спектроскопии.
Усиление безызлучательной оже-рекомбинации и снижение эффективности полупроводникового лазера с ростом длины волны, однако, не являются законами природы, а следуют лишь из нашего опыта. Нет фундаментального запрета на создание полупроводниковой структуры, излучающей в дальнем инфракрасном диапазоне и не подверженной оже-процессу. Более того, требования к спектру электронов и дырок, обеспечивающему полный запрет безызлучательной рекомбинации, известны с работ Поля Дирака об электронах и позитронах. А именно, электроны и дырки должны обладать одинаковой массой при малых энергиях и вести себя подобно безмассовым частицам — при больших. Но все попытки воплотить эти идеи в реальном материале до сих пор терпели неудачу.
Исследователи из МФТИ и Института физики микроструктур РАН в Нижнем Новгороде обнаружили, что необходимыми для лазерных приложений свойствами электроны и дырки обладают в квантовых ямах теллурида кадмия-ртути. Этот материал имеет долгую историю: он уже более полувека используется для создания тепловизоров, а около десяти лет назад он вызвал бум в топологической физике из-за особых свойств электронов на его краях.
«Долгое время лазерные перспективы теллурида кадмия-ртути не вызывали большого энтузиазма, а на “дираковскую” форму электрон-дырочного спектра никто не обращал внимания. Физики-лазерщики ХХ века работали с широкими квантовыми ямами с большим содержанием кадмия — это далеко не оптимальный состав, по нашим расчетам, — поэтому желаемое явление не было открыто. Когда технология XXI века позволила выращивать узкие квантовые ямы, то область заполнили физики-топологи, внимание которых было приковано к краевым электронам. То, что творится в плоскости ямы, а не на ее краю, оставалось без должного внимания. И лишь нашей группе удалось обнаружить желаемое подавление оже-рекомбинации в узких квантовых ямах», — рассказывает Дмитрий Свинцов, соавтор исследования, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.
Эксперименты на квантовых ямах теллурида ртути, выращенных в Институте физики полупроводников РАН (г. Новосибирск), уже подтвердили возможность лазерной генерации с длиной волны до 20 микрон. А выполненные в работе расчеты «остаточных» рекомбинационных процессов показывают, что это не предел, и длину волны излучения можно повысить до 50 микрон. Диапазон длин волн от 30 до 50 микрон является наиболее «запретным» для существующих полупроводниковых лазеров на основе элементов III и V групп таблицы Менделеева из-за сильного самопоглощения. Но и этот негативный эффект — как и оже-рекомбинация — сильно ослаблен в теллуриде ртути, на этот раз из-за большой массы атомов, составляющих кристаллическую решетку. Таким образом, у изучаемых квантовых ям есть все перспективы закрыть последние «белые пятна» на шкале электромагнитных излучений.
«Естественно, в сфере лазерной техники у квантовых ям теллурида ртути есть конкуренты. Наиболее серьезными являются квантовые каскадные лазеры на основе арсенида галлия. Они не используют электрон-дырочной рекомбинации, а основаны на исключительно электронных переходах. Такая “смена парадигмы” требует очень сложной конструкции лазера и, как следствие, огромной цены — один каскадный лазер стоит более 6 тысяч долларов. Теллурид ртути позволяет продлить работоспособность устоявшейся, предельно простой и дешевой конструкции лазерного диода вплоть до дальнего инфракрасного диапазона», — добавляет Дмитрий Свинцов.
