Соль - в слоях. Совершенствование материалов - залог успеха в создании новых лазеров - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Соль – в слоях. Совершенствование материалов – залог успеха в создании новых лазеров

Лазерные технологии остаются одним из лидирующих отечественных направлений науки еще со времен Басова и Прохорова, удостоенных Нобелевской премии за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн. Сегодня всевозможные квантовые генераторы применяются в самых разных областях, обеспечивая порой революционные успехи. Начальник научно-производственного комплекса доктор физико-математических наук Максим ЛАДУГИН (на снимке) из Научно-исследовательского института «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха (Москва) создает лазеры нового поколения на основе эпитаксиальных наноструктур. В 2011 году он получил молодежную премию Правительства РФ за работу по близкой тематике. А нынешний проект финансируется в том числе из гранта Президента РФ в поддержку молодых ученых.

– Максим, в чем разница между квантовым генератором, лазером и лазерным излучателем?
– В целом все эти приборы можно считать просто лазерами. Термин «квантовый генератор» – общий для описания различных типов устройств, генерирующих когерентные электромагнитные волны в том или ином спектральном диапазоне. Лазерный излучатель, на мой взгляд, больше подходит для описания полупроводниковых лазеров и лазерных диодов.

Сегодня разных лазеров множество: химические, газовые, твердотельные, жидкостные, а также на красителях, парах металлов, свободных электронах. Мы же работаем с полупроводниковыми, созданными на основе твердого вещества, которое по своим свойствам занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от примесей и температуры. При работе такого типа лазеров используются так называемые p-n-переходы, знакомые всем еще из школьных учебников, – при протекании через них электрического тока и создается оптическое излучение.

Лазерный диод – это одиночный излучающий элемент, так как содержит одну излучающую область. Линейка лазерных диодов – несколько излучающих элементов, расположенных по горизонтали, такая конструкция создается для увеличения мощности. Решетка лазерных диодов – это множество излучающих элементов, расположенных по горизонтали и вертикали в форме решетки.

Наши лазерные излучатели (диоды, диодные линейки и решетки) изготавливаются из полупроводниковых соединений, которые состоят из элементов третьей (алюминий, галлий, индий) и пятой (азот, фосфор, мышьяк, сурьма) групп таблицы Менделеева. Сами по себе эти элементы не являются полупроводниками, проявляют такие свойства, только когда образуются вместе в виде химического соединения. Такие соединения наиболее эффективны для ближнего инфракрасного диапазона от 750 до 1600 нанометров.


– Расскажите, пожалуйста, что такое эпитаксиальные наноструктуры, на основе которых вы создаете лазерные излучатели?
– Это последовательности (набор) полупроводниковых слоев с толщиной в единицы нанометров, которые получаются эпитаксиальным способом. К слову, все наши полупроводниковые соединения получают эпитаксиальным способом. Эпитаксия – это технологический процесс упорядоченного нанесения одного кристаллического материала на другой: к исходному добавляются новые атомы или молекулы.

Существует несколько видов эпитаксиальных технологий: жидкофазная, газофазная, молекулярно-лучевая, атомно-слоевая. Мы работаем с газофазной гидридной, с использованием металлорганических соединений, сокращенно – МОС-гидридная эпитаксия. Эта передовая технология позволяет получать разные комбинации полупроводниковых соединений с толщиной слоев от единиц ангстрем до десятков микрометров. В газофазной гидридной эпитаксии происходит доставка исходных газообразных веществ, то есть гидридов и металлорганических соединений, в зону, нагретую до 600-700 градусов Цельсия. В такой зоне происходят распад этих веществ и осаждение необходимых элементов третьей и пятой групп на специальную подложку.
В сложной комбинации эпитаксиальных слоев имеются слои толщиной в единицы нанометров, которые оказывают существенное влияние на выходные параметры излучателей: спектр излучения, эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, пространственные характеристики. Нанослои позволяют создавать дискретные квантовые уровни и управлять их положением в энергетических зонах полупроводника.

– Вы сами создаете эти материалы или приобретаете готовые?
– Эпитаксиальные наноструктуры, с которыми мы работаем, изготавливаются в нашем НИИ «Полюс» в Москве. Это, несомненно, серьезное преимущество в нынешних условиях. Хотелось бы отметить, что наш институт – ведущий научный центр России в области лазерных технологий. Инновации института широко используются в информационных системах, высокоскоростной связи, системах навигации и космической отрасли.

– А почему вы решили заняться лазерными излучателями именно на основе эпитаксиальных наноструктур?
– Когда я учился в филиале Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана в Калуге, мой научный руководитель профессор Станислав Сергеевич Стрельченко порекомендовал мне заняться оптоэлектроникой, которую сейчас иногда называют фотоникой, и позже направил на преддипломную практику как раз в НИИ «Полюс». Там я познакомился с моим нынешним наставником, начальником Научно-технического центра нанотехнологий Александром Анатольевичем Мармалюком, который увлек меня теми самыми полупроводниковыми эпитаксиальными наноструктурами. Именно из них изготавливается множество оптоэлектронных устройств, в том числе полупроводниковые лазерные излучатели. Главная особенность эпитаксиальных наноструктур, которая меня поразила, – это возможность создания на их основе уникальных комбинаций материалов с таким набором свойств и параметров, которыми не обладают исходные материалы.

В первые годы после университета я работал инженером и технологом, выращивал искусственные полупроводниковые кристаллы методом МОС-гидридной эпитаксии. После стал научным сотрудником, а затем начальником подразделения нашего института, был ответственным за проектирование и изготовление наноструктур для различных оптоэлектронных приборов. Работая многие годы в научно-производственной области, я понял, насколько велик потенциал эпитаксиальных наноструктур в совершенствовании характеристик лазерных излучателей.

– Почему лазерные излучатели, которые вы создаете, относятся к новому поколению? Есть ли вообще какие-то критерии нового поколения применительно к лазерам?
– Дело в том, что благодаря совершенствованию конструкции и технологии создания лазерной структуры, ее активных и волноведущих слоев, а также легированных слоев можно значительно повысить выходную оптическую мощность и коэффициент полезного действия прибора, снизить внутренние потери и электрическое напряжение в лазере. Поясню, что активные и волноведущие слои – это излучающая область, в которой происходит управление квантовыми или, как иногда говорят, квантово-размерными уровнями. Легированные слои – это слои, которые легированы примесями p- и n-типа проводимости, чтобы создать p-n-переход.

Но критерии нового поколения, конечно, довольно условные, они применимы в тех случаях, когда происходит существенный прогресс. Например, если раньше большинство одиночных лазерных диодов в непрерывном режиме генерации имели 2, 3 или 5 ватт, то на следующем этапе научно-технического развития необходимо иметь 10 и более ватт. Или, например, КПД полупроводникового лазера раньше был в среднем 50%, то дальше уже стоит цель достичь 70%.

– Велика ли чисто теоретическая составляющая в вашем проекте?
– Наши исследования имеют и теоретический, и экспериментальный характер. Например, в рамках нынешнего проекта мы сначала будем делать численные расчеты конструкции лазерных наноструктур и исследовать ключевые параметры материалов, определяющих выходные характеристики устройств. Затем запланированы эксперименты для выбора оптимальных технологических режимов роста в условиях МОС-гидридной эпитаксии по выращиванию полупроводниковых слоев с требуемыми электрофизическими и оптическими параметрами.
Наши методы постоянно совершенствуются: развиваются и модернизируются старые, предлагаются новые. В нынешней работе подход комплексный, он предполагает улучшение как технологии, так и конструкции наноструктур с проведением теоретических расчетов и использованием современного аналитического, контрольно-измерительного оборудования. Это касается поиска оптимальных режимов температуры реактора, скорости роста полупроводниковой структуры, отношения газовых потоков исходных веществ 5-й и 3-й групп, уровня легирования, резкости гетерограниц эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев на основе тройных и четверных соединений галлия, алюминия, мышьяка, индия, фосфора (то есть в слое по 3-4 элемента).

– На какой технике работаете?
– Изучать свойства получаемых слоев и лазерных структур будем на современном аналитическом и контрольно-измерительном оборудовании: вольт-фарадном профилометре, установке по измерению холловской подвижности, фотовольтаическом спектроскопе, рентгеновском дифрактометре, просвечивающем и растровом электронном микроскопе, электролюминесцентной установке, атомно-силовом микроскопе, установке времяразрешенной фотолюминесценции.

– Что предстоит сделать в ближайшее время и перспективе?
– Я планирую уделить внимание разработке и изготовлению активных лазерных элементов, позволяющих существенно улучшить выходные параметры приборов. Этого можно добиться благодаря оптимизации ширины излучающей области, длины и формы резонатора, в котором происходят накопление энергии оптической световой волны и выход ее наружу.
Также мы с коллегами будем повышать оптическую прочность выходных граней резонатора. Дело в том, что, если внутри резонатора накопилась большая энергия (например, при увеличении электрического тока накачки), она может эти грани разрушить. Кроме того, мы хотим улучшить технологию установки излучающих лазерных элементов на теплоотводящую конструкцию.
Во второй год продолжим исследования, нацеленные на модернизацию ряда конструкций полупроводниковых наноструктур. Теоретически и экспериментально изучим способы повышения лучевой прочности зеркальных граней лазерных кристаллов резонатора. Будем улучшать показатели за счет снижения паразитных процессов безызлучательной рекомбинации. Это такие физические процессы, когда носитель заряда электрон при переходе на более низкий энергетический уровень не преобразовывает свою энергию в оптическое излучение.
Проведем также численные расчеты изменения температуры активной излучающей области в зависимости от условий накачки электрическим током. Такая накачка создается пропусканием тока через p-n-переход. Найдем характерное распределение температуры внутри лазерного излучателя благодаря решению уравнения теплопроводности. Это позволит выявить источники тепла и впоследствии по возможности их минимизировать. В результате создадим импульсные и непрерывные лазерные излучатели (диоды, линейки и решетки) ближнего инфракрасного диапазона с повышенной выходной оптической мощностью, изучим их приборные характеристики.

– В каких областях может найти применение ваш лазер?
– Как я уже говорил, мы разрабатываем лазеры в спектральном диапазоне от 750 до 1600 нанометров. Эта область имеет огромное количество применений: высокоскоростная оптическая связь (в том числе в свободном пространстве), полиграфия, медицина, управление и слежение за движением транспортных средств при помощи лидар-систем, технологическая обработка материалов и энергоэффективная накачка активных сред твердотельных и волоконных лазеров. Еще одна сфера применения – метрология, которая помимо измерения расстояний занимается еще и измерением длины микрообъектов, угловых скоростей и перемещений, а также стандартами частоты.

– Много времени нужно для того, чтобы сделать новый лазер?
– На то, чтобы создать новый полупроводниковый лазерный излучатель определенного типа, уходит примерно от двух до пяти лет. Учитывая, что по условиям гранта научный коллектив (научный руководитель, аспиранты, студенты) должен иметь некоторый задел, то за отведенное время моей научно-исследовательской работы абсолютно реально создать лазер с улучшенными характеристиками. Перспективные приборы разрабатываются командой в 15-20 человек, состоящей из опытных конструкторов, технологов и инженеров, а также при наличии высококачественных материалов и современного производственного и измерительного оборудования. Замечательно, что эти условия созданы на нашем предприятии.

– Кто в мире считается лидером в разработке полупроводниковых лазеров? Какое место занимает наша страна?
– В России в этом направлении исторически, с момента создания первого полупроводникового лазера в 1962 году, кроме нашего института работают ведущие научные организации Москвы, Санкт-Петербурга, Саратова, Нижнего Новгорода, Новосибирска. Разработки НИИ «Полюс», в том числе по некоторым направлениям совместные с Российской академией наук, находятся на очень хорошем мировом уровне наряду с лидерами из США, Германии, Франции, Японии.

Василий Янчилин

Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2