18.05.2011

Сконструирован полупроводниковый лазер с рекордно низким порогом генерации

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 Vuckovic).

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.

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.

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА