Новосибирские учёные разрабатывают лазеры в зелёном диапазоне

25/07/2016 Новости институтов

Новосибирские учёные разрабатывают лазеры в зелёном диапазоне

568 ИФП СО РАН СО РАН НГУ Инновации Физика Новосибирск ​Сотрудники Института физики полупроводников СО РАН и лаборатории молекулярной фотоники НГУ занимаются одним из самых актуальных на сегодня направлений в области лазерных технологий — созданием зелёных светодиодов и лазерных диодов (за синие светодиоды в 2014 году ученые из Японии и США получили Нобелевскую премию).

Новосибирские физики разрабатывают светодиоды и твердотельные лазерные диоды на основе эффекта зелёной люминесценции при оптических переходах через уровни дефектов кристаллической решетки в слоях алюминия-галлия нитрида (AlGaN), сильно легированных донорами.

Учёные из Института физики полупроводников (ИФП) СО РАН и лаборатории молекулярной фотоники НГУ работают над созданием лазеров в зелёном диапазоне (520–550 нм) — разрабатывают их на основе люминесценции, которая наблюдается в слоях соединения нитрида алюминия-галлия, легированных донорами.

Спектр применения зелёных лазеров очень широк: они могут использоваться в наземных и подводных локаторах, дальномерах, системах посадки самолетов и проводки судов, устройствах указания и топографического визирования, скоростной интерферометрии и фотографии, проекционного телевидения, аппаратуры диагностики живых клеток и т. д.

На основе выявленного эффекта можно создавать сверхбыстрые лазеры с длительностью световых импульсов порядка 10–15 секунды.

В 2014 году физики из Японии и США Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура получили Нобелевскую премию за создание синих светодиодов на основе нитрида галлия — дешевых и экологичных источников света.

По словам выпускника НГУ, инженера Института физики полупроводников СО РАН Игоря Осинных, соединение нитрида галлия — полупроводник с шириной запрещенной зоны при комнатной температуре 3,4 эВ (≈365 нм), что соответствует ультрафиолетовому диапазону. Для создания синих светодиодов (диапазон 400–450 нм) к нитриду галлия добавляли индий для уменьшения ширины запрещенной зоны.

Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не могут обладать электроны в полупроводникеИгорь Осинных отмечает, что после разработки синих светодиодов следующей задачей стало создание зелёных светодиодов. Однако работы в этой области встречают на своем пути ряд трудностей:

— Если к нитриду галлия, например, продолжать добавлять индий для того, чтобы получить зеленый светодиод, находящийся в более длинноволновом диапазоне, возникает проблема формирования квантовых ям. Первая проблема в сильных встроенных электрических полях — расталкивание электронов и дырок, из-за чего падает эффективность излучения, вторая — в плохой растворимости нитрида индия в нитриде галлия, из-за чего происходит разделение фаз, что ведет к деградации приборов.

Квантовая яма — участок полупроводника, внутри которого потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, за счет движение электрона ограничено в одном измеренииМожно было бы подойти с другой стороны — со стороны красных лазерных диодов на основе фосфидов (алюминия-галлия фосфид и алюминия-галлия-индия фосфид), но при получении зелёных диодов в этой системе соединение AlGaInP трансформируется из прямозонного полупроводника в полупроводник с непрямой запрещенной зоной, величина которой составляет всего 2,33 эВ (≈530 нм).

Подобраться не получилось ни с «синей», ни с «красной» стороны — надо было искать новые решения. И группа учёных во главе с заведующим лабораторией мощных газовых лазеров ИФП СО РАН Дмитрием Закревским, ведущим научным сотрудником института Константином Журавлевым (лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A3B5) и главным научным сотрудником института Петром Боханом приблизилась к ответу. Они выяснили, что дефекты в слоях соединения нитрида алюминия-галлия (с содержанием алюминия более 50%), легированных донорами, дают эффект очень яркой люминесценции, причем в широком спектральном диапазоне — практически весь видимый свет, от фиолетового до красного. Легирование донорами в данном случае — внедрение атомов кремния в кристаллическую решетку AlGaN из соединений кремния с водородом (силанов).

Как часто бывает со значимыми открытиями, исследователи обнаружили эту интенсивную люминесценцию почти случайно. Инженер лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A3B5 ИФП СО РАН Тимур Малин стал использовать силан вместо кремниевых тиглей для легирования на ростовой установке, и это было сугубо технологической задачей (прим. — эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого).

Игорь Осинных рассказывает, что в агрессивной аммиачной среде кремниевый тигель покрывается пленкой нитрида кремния, словно поверхность расплавленного металла слоем окислов на открытом воздухе — из-за этого поток распыляемого кремния падает до нуля за несколько циклов роста. В конкурентной технологии эпитаксиального роста кристаллов — газофазной эпитаксии — источником легирования является силан, и такой проблемы не возникает, поэтому Тимур Малин внедрил эту «фишку» для своей установки. Поначалу он подавал мощные потоки силана при росте AlGaN. Известно, что в составах с содержанием алюминия от 60 % при очень высоких концентрациях легирующего кремния падает проводимость, поэтому технологи сознательно не используют такие пропорции. Но новосибирские ученые невольно «попали» в эту область, и когда поместили выращенные слои AlGaN под электронный пучок, то увидели очень яркое свечение. Теперь большие потоки силана в ростовой камере подают специально.

Игорь Осинных занимается исследованием природы центров, ответственных за появление полосы, методом фотолюминесцентной спектроскопии. Статья Characterization of the green band in photoluminescence spectra of heavily doped AlxGa1-xN: Si with the Al content x > 0.5 опубликована в журнале Japanese Journal of Applied Physics.

В частности, уже выяснено, что при содержании 60–70% алюминия (по отношению к галлию) в соединении интенсивность зеленого свечения достигает своего максимума.

Дальнейшие исследования показали, что в зависимости от содержания алюминия (по отношению к галлию) люминесценция проходит практически весь спектральный диапазон от оранжевого света (при 50%) до фиолетового (100%). На данный момент проводятся измерения коэффициента усиления активной среды (очень важного параметра для создания лазера), первые результаты дают достаточно большую величину этого параметра порядка 70 см-1, что вселяет в исследователей оптимизм. Также идёт работа над выяснением природы дефектов, дающих зелёную люминесценцию.

Наконец, близится к завершению изготовление опытного экземпляра зелёного светодиода на основе AlGaN, который должен продемонстрировать эффективность использования этого альтернативного материала для светоизлучающих устройств.

Анастасия Аникина

Оставить комментарий

Свежие записи
Июль 2018
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Июн    
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031