Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Cформирован научный коллектив в составе 27 человек, в том числе 21 исследователь (77.8%) в возрасте до 39 лет включительно. Заключен договор на выполнение НИР с партнером (АО «НИИМЭ»). В 2019 году научная группа опубликовала 8 работ в журналах, входящих в базу Web of Science, включая 1 публикацию в журнале первого квартиля (Optics Letters), еще одна работа принята к печати в журнал 1-го квартиля (Crystal Growth & Design). Было представлено 11 докладов на 8 научных конференциях, в том числе 1 пленарный и 6 приглашенных. Организована школа молодых ученых по тематике проекта (международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам “Saint-Petersburg OPEN 2019”, 22-25.04.2019) с участием 5 российских и 5 зарубежных лекторов. На стендовых сессиях представлены 282 молодежные работы. Всего в школе приняли участие представители 11 стран (Россия, Беларусь, Дания, Египет, Франция, Германия, Иран, Израиль, Латвия, Сингапур, Великобритания), в том числе из 49 городов России. Проведены экспериментальные и теоретические исследования пороговых, высокочастотных и иных свойств микролазеров с квантовыми точками, синтезированных на подложках GaAs и Si, проведена оптимизация их конструкции и развиты методы формирования, проведены эксперименты по оптической передаче данных с помощью микролазеров, развиты методы микросферной литографии для текстурирования подложек для последующей селективной эпитаксии А3В5 наногетероструктур, исследованы процессы роста нитевидных нанокристаллов А3В5 с использованием различных катализаторов и условий роста, определены процессы, влияющие на легирование ННК, продемонстрирована принципиальная возможность синтеза InGaN «наноцветов» на кремнии. Получены следующие наиболее существенные результаты: - Созданы инжекционные микродисковые лазеры различного диаметра (10-30 мкм) с разным типом активной области (квантовые точки InAs/InGaAs, плотные массивы квантовых точек InGaAs, формируемые не по механизму Странского-Крастанова, квантовые ямы InGaAsN и InGaAs) на подложках GaAs и Si и исследованы их пороговые характеристики. Показано, что зависимость порогового тока от диаметра микролазера включает два члена, из которых один пропорционален квадрату диаметра, а второй – первой степени диаметра, описывающих вклады рекомбинации носителей заряда, соответственно, в объеме активной области и на боковых стенках микрорезонатора. При этом в микролазерах с квантовыми ямами доминирующим является вклад безызлучательной поверхностной рекомбинации, в микролазерах с КТ InGaAs вклад рекомбинации на боковых стенках преобладает в приборах наименьшего размера, а в микролазерах с квантовыми точками InAs/InGaAs этот канал рекомбинации практически полностью подавлен. Такое поведение объяснено глубокой локализацией носителей заряда в таких КТ, подавляющей транспорт к боковым стенкам микрорезонатора. - Сделан вывод, что пороговая плотность тока в микролазерах с квантовыми точками Странского-Крастанова определяется в основном величиной оптических потерь и саморазогревом. Предложена оптимизированная конструкция эпитаксиальной структуры, и улучшен метод формирования микрорезонаторов с помощью сухого травления, что позволило достичь низких значений теплового сопротивления и снизить оптическое рассеяние света на боковых стенках. Оптические потери оценены равными около 2 см-1, а добротность микрорезонатора увеличена до 90 000-100 000. В результате достигнута рекордно-низкая пороговая плотность тока в микродисковых лазерах, сформированных как на GaAs, так и на Si (соответственно 250 и 350 А/см2 в непрерывном режиме при комнатной температуре без термостабилизации и охлаждения). - Исследована воспроизводимость электрических характеристик микродисковых лазеров на кремнии. Продемонстрированы низкие значения среднеквадратичного отклонения напряжение открывания диода и последовательного электрического сопротивления (1 и 10%, соответственно, относительно средних значений) для неохлаждаемых микролазеров диаметром 31 мкм. - Обнаружено, что тепловое сопротивление микролазеров на подложках Si близко к соответствующей величине микролазеров на GaAs такого же диаметра. Тепловое сопротивление масштабируется обратно пропорционально квадрату диаметра. Это указывает, что отвод тепла из активной области микролазера преимущественно осуществляется через его основание, а боковой уход тепла не играет существенной роли. Удельное тепловое сопротивление для микролазеров на основе гетероструктур, синтезированных как на Si, так и на GaAs подложках оценено около 5×10-3 см2×К/Вт, что более чем в 2 раза ниже, чем соответствующее значение, характеризующее микролазеры на основе гетероструктур на подложках InP. - Исследовано явление конкуренции мод и возможность достижения одномодового режима лазерной генерации. Показано, что вдали от порога лазерной генерации генерация боковых мод подавляется, что ведет к росту коэффициента подавления боковых мод. Наибольшее измеренное значение составило 32.9 дБ, что, насколько нам известно, является наибольшим для микродисковых лазеров без специальных систем спектральной селекции. Предполагается, что существенную роль для достижения одночастотного спектра излучения играют достигнутые низкие оптические потери, что позволяет реализовать лазерную генерацию на длинноволновом склоне плотности состояний, на значительном спектральном удалении (более 40 нм) от ее максимума. - Впервые выполнены исследования долговременной (1200 часов в непрерывном режиме при 20, 40 и 60ºC) деградации микродисковых лазеров с квантовыми точками. В ходе испытаний не обнаружено изменения напряжения на диоде, гашения лазерной генерации или значительного изменения уровня излучаемой мощности. Средний темп изменения мощности (25 нВт/час) позволил оценить срок жизни микролазера (по уровню падения мощности на 20%) не менее 2500 часов. - Впервые выполнены экспериментальные исследования электрической мощности, потребляемой микролазером при высокочастотной модуляции, в зависимости от тока смещения и размера микролазера. Показано, что существует оптимальный ток смещения, позволяющий достичь наименьшего достижимого для данного микролазера значения энергопотребления на один бит информации, что обусловлено взаимодействием двух физических явлений – снижением частоты модуляции при приближении тока к пороговому значению и увеличением электрической мощности при больших токах. Без термостабилизации достигнуто низкое энергопотребление 1.46 пДж на один бит переданной информации, что, насколько нам известно, является наименьшим на сегодня значением для микролазеров как с квантовыми точками In(Ga)As, так и с квантовыми ямами на InP. - Исследованы электрические потери и быстродействие микродискового лазера в режиме прямой модуляции с температурно-стабилизированным теплоотводом. Достигнуто существенное (примерно в полтора-два раза) уменьшение потребления энергии в расчете на один бит по сравнению с неохлаждаемыми микролазерами аналогичной конструкции. Например, при термостабилизации микролазера диаметром 23 мкм при 18оС энергопотребление снижается с 2.88 до 1.58 пДж/бит. - Развита феноменологическая модель, позволяющая в аналитическом виде описать зависимость энергии, потребляемой микролазером при передаче информации, от его диаметра. Модель обобщает зависимости от размера микролазера его высокочастотных, электрических и пороговых характеристик и предсказывает достижимость затрат энергии на уровне 100 фДж/бит в микролазерах диаметром около 4 мкм при условии подавления безызлучательной рекомбинации на боковых стенках микрорезонатора. - Выполнены эксперименты по оптической передаче данных с помощью инжекционного микродискового лазера с квантовыми точками, и впервые для таких лазеров продемонстрирована безошибочная (вероятность ошибки распознавания бита менее 10^-12) передача со скоростью 10 Гб/сек, что на порядок превосходит ранее сообщенное наибольшее значение скорости. При этом исследованные микролазеры работали без внешнего охлаждения. - Развита методика структурирования тестовых подложек большой площади (более 3-х дюймов в диаметре) для последующего процесса селективной эпитаксии наногетероструктур А3В5. Показано, что метод микросферной литографии обеспечивает в слое оптического фоторезиста формирование упорядоченных массивов структур с характерными размерами порядка 200 нм. Последующее плазмо-химическое травление переносит сформированный рисунок в резисте в слой оксида кремния, выступающего в качестве материала маски для селективной эпитаксии. - Экспериментально исследованы процессы Au-каталитического и самокаталитического эпитаксиального роста нитевидных нанокристаллов (ННК) с использованием метода молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках кремния и выявлены основные тенденции при росте ННК на примере GaAs. Показано, что в случае самокаталитического роста преимущественной фазой является кубическая, а при Au-каталитическом росте – гексагональная. Установлено, что при преднамеренном легировании бериллием возможно получение уровней легирования р-типа в интервале (10^16 - 5×10^19 см-3) для GaAs ННК и 3×10^16 - 8×10^18 см-3 для ННК в системе InP. В случае Si в качестве легирующей примеси для InP ННК было установлено, что возможно получение легирования n- типа в достаточно широком интервале (5×10^16 - 4×10^18 см-3), однако при росте GaAs встраивание атомов Si происходит в основном в анионную подрешетку, что приводит к р-типу легирования. - Продемонстрирована принципиальная возможность синтеза наноструктур разветвленной морфологии «наноцветов» InGaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии на поверхности подложки кремния. Продемонстрирована фотолюминесценция в широком диапазоне длин волн от 450 до 950 нм при комнатной температуре.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Сформирован научный коллектив в составе 27 человек, в том числе 21 исследователь (77.8%) в возрасте до 39 лет включительно. В течение 12 месяцев с даты подписания соглашения в коллектив привлечены три (один в 2019 и два в 2020 г) молодых кандидата наук в возрасте до 35 лет, ранее не работавших в организации. Заключены договора на выполнение НИР с партнерами, получено в 2020 году софинансирование на общую сумму 4 млн. руб. Опубликовано в 2020 году 10 новых работ в журналах, входящих в базу Web of Science, включая 4 публикации в журнале первого квартиля (Nanotechnology, Las. Photon. Rev., IEEE J. Quantum Electron., ACS nano), представлено 7 докладов на научных конференциях, в том числе 2 пленарных. Организована школа молодых ученых по тематике проекта (международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам “Saint-Petersburg OPEN 2020”, 27-30.04.2020) с участием 28 зарубежных и 12 российских ученых в качестве лекторов и 238 российский молодых ученых (до 35 лет включительно), аспирантов и студентов очной формы обучения. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования в области микрорезонаторов и микролазеров с квантовыми точками на основе эпитаксиальных структур, синтезированных на подложках GaAs и Si, а также гибридно интегрированных с кремнием, нитевидных нанокристаллов А3В5 и их массивов на Si и на гибридных подложках SiC/Si, пассивации и текстурирования поверхности. Получены следующие наиболее существенные результаты: Развита методика планаризации микролазеров диэлектрическим покрытием с последующим формированием контактных площадок поверх диэлектрика, что позволило воспроизводимо формировать микродисковые лазеры малого размера (диаметром по крайней мере до 10 мкм). Исследованы микролазеры различного диаметра, созданные с использованием усовершенствованной конструкции, обеспечивающей низкие внутренние потери. В монолитно интегрированных с кремнием микролазерах достигнута рекордно-низкая для приборов сопоставимого размера (15 мкм) пороговая плотность тока 0.68 кА/см2. Впервые исследована стабильность длины волны лазерной генерации микролазеров с квантовыми точками на кремнии по отношению к изменению тока инжекции, продемонстрирована высокая стабильность (менее 1 нм/(кА/см2)), в том числе в микродисках малого диаметра. Выполнены исследования абсолютного уровня выходной мощности микродисковых лазеров на кремнии и продемонстрирована удовлетворительная воспроизводимость их характеристик (среднеквадратичное отклонение мощности 21% от среднего значения односторонней мощности 43 мкВт среди около 100 приборов). Впервые выполнены исследования деградации микродисковых лазеров на кремнии. Показано, что изменение мощности при стабилизированном токе инжекции удовлетворительно описывается сублинейной временной зависимостью, а наиболее значительное изменение ватт-амперной характеристики происходит в первые несколько сотен часов работы в непрерывном режиме. Впервые оценен срок службы микролазера на кремнии, получено значение более 80 тыс. часов. Экспериментально показано, что существует предельная температура лазерной генерации микродискового лазера в непрерывном режиме. Уменьшение размера микролазера ведет к снижению предельной температуры (до ~40оС для 10-мкм микродисков). Показано, что существует наименьший диаметр микролазера, вплоть до которого при фиксированной температуре окружающей среды возможна реализация генерации в непрерывном режиме. Исследованы ватт-амперные характеристики микродисковых лазеров в непрерывном режиме; при токах, заметно превышающих порог генерации обнаружен спад мощности вплоть до полного гашения генерации, сопровождающийся значительным саморазогревом микролазера. Развита модель, которая позволяет в аналитическом виде определить пороговый ток микродискового лазера с учетом саморазогрева в зависимости от температуры окружающей среды и диаметра микролазера. Показано, что существование предельной рабочей температуры обусловлено саморазогревом микролазера. Показано хорошее совпадение результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными. Модель позволяет определить пути оптимизации конструкции микролазеров для улучшения температурных характеристик и снижения их размеров. Полученные результаты опровергают ранее принятое мнение о слабом влиянии поверхностной рекомбинации на характеристики микролазеров с квантовыми точками. Экспериментально исследовано быстродействие микродисковых лазеров с квантовыми точками, работающих при комнатной температуре без термостабилизации. Обнаружено, что максимальная частота прямой модуляции, достигаемая при некотором оптимальном токе смещения, слабо зависит от диаметра для микродисков больших размеров и снижается в области малых микродисков (до 4 ГГц при 10 мкм). Энергозатраты на передачу одного бита при оптимальном токе смещения не превышают 2 пДж и, как показывает моделирование, могут быть снижены по крайней мере в два раза при преодолении сильного саморазогрева. Выполнены модельные расчеты наибольшей полосы модуляции микродисков различного диаметра и показано, что предельное быстродействие микродисковых лазеров относительно малого размера определяется в основном явлениями, вызванными перегревом активной области, тогда как для микродисков большего размера максимальная полоса модуляции ограничивается демпфированием релаксационных колебаний и паразитной частотой отсечки (RC). Граница, разделяющая две различные модели поведения при реализованных на практике значениях внутренних параметров микролазеров, соответствует диаметру около 20 мкм. Выше этого размера микродиска предельная частота модуляции практически не зависит от диаметра микродиска, а ниже – заметно уменьшается. Предложен и реализован новый метод гибридной интеграции массивов микродисковых лазеров с квантовыми точками на поверхность кремниевой пластины с помощью эвтектики Au-In. Метод позволяет осуществить лазерную генерацию при инжекционной накачке с индивидуальной адресацией к произвольному микролазеру из массива. Впервые продемонстрирована лазерная генерация при инжекционной накачке в непрерывном режиме перенесенного на кремний микродискового лазера с квантовыми точками из массива. Не выявлено влияния переноса микродисков на кремний на электрические, пороговые, тепловые и спектральные характеристики. Результаты подтверждают устойчивость микролазеров на основе квантовых точек к переносу на чужеродную подложку. Установлено, что использование метода формирования ННК по механизму «пар – твердое тело – твердое тело» приводит к созданию ННК сверхмалого диаметра (вплоть до менее 10 нм), что позволяет реализовывать квантовые структуры на основе ННК и более полно использовать «одномерность» таких нанообъектов. Исследованы процессы формирования гетероструктукрных ННК, содержащих GaAs КТ в теле AlGaAs ННК. Типичная длина волны излучения таких КТ составляет 750 – 800 нм, поэтому ставилась задача по формированию AlGaAs ННК, выращенных на поверхности Si(111), с диаметром ~ 200 нм. В результате было показано, что при составе твердого раствора AlGaAs по Al = 0.4 в теле ННК возможно формирование качественных с кристаллографической точки зрения ННК, диаметр у основания которых составляет 180 – 200 нм. Установлено, что для контролируемого изменения плотности ННК на поверхности Si(111) необходимо прецизионно наносить катализатор на первом этапе формирования ННК. При использовании золота возможно варьировать плотность ННК в диапазоне (0.05 – 10) ННК/мкм2 при напылении золота со средней толщиной 0.05 – 1 нм. Исследование влияния соотношения потоков элементов V и III групп для различных катализаторов показало, что наиболее чувствительным к этому параметру является метод самокаталитического роста. Для самокаталитического роста становится возможным увеличивать скорость роста ННК при повышенных потоках элементов V группы. Исследована фотодинамика распада возбужденных состояний гибридной полупроводниковой наноструктуры, представляющей собой массив нитевидных нанокристаллов InP с нановставкой InAsP, пассивированных квазиленгмюровским слоем ТОРО (триоктилфосфиноксид), содержащим коллоидные квантовые точки CdSe/ZnS. Получены спектрокинетические зависимости люминесценции наноразмерных включений InAsP в ближней инфракрасной области при температурах 80 и 293 K. Наличие слоя ТОРО-CdSe/ZnS квантовых точек на поверхности нитевидных нанокристаллов InP/InAsP/InP ведет к увеличению длительности излучательной рекомбинации и появлению ее зависимости от температуры. Показано, что наличие слоя ТОРО, содержащим коллоидные квантовые точки CdSe/ZnS, приводит к резонансной накачке вставки InAsP КТ, выраженной в 10-ти кратном увеличении сигнала от InAsP КТ. Таким образом, данная гибридная система может быть использован в качестве резонаторов на основе одиночных ННК и их массивов. Наблюдаемый эффект объясняется теоретически в рамках модели контактного тушения. Рассмотрены процессы формирования GaN ННК на поверхности гибридных подложке SiС/Si. Из спектров ФЛ выращенных образцов было установлено, что происходит спонтанное легирования кремнием GaN ННК, выращенных на подложке SiC/Si(111). Концентрация свободных электронов в GaN ННК, оцененная по сдвигу Бурштейна-Мосса, составила ~ 7*10^19 см-3. Для объяснения наблюдаемого эффекта предложена теоретическая модель, основанная на описании диффузии атомов Si в GaN ННК с учетом механохимического эффекта, описывающая на количественном уровне наблюдаемые зависимости. Развиты методы пассивации микрорезонаторов и исследовано ее влияние на эффективность излучательной рекомбинации в подобных микролазерах с квантовыми точками и квантовыми ямами. Для обоих типов резонаторов пассивация обеспечивает существенное подавление темпа безызлучательной рекомбинации, наиболее существенное влияние пассивация оказывает на микроструктуры с квантовыми ямами. Развита технология текстурирования оксидных слоев на поверхности кремния методом микросферной литографии для последующей селективной эпитаксии упорядоченных массивов ННК на подложках большого диаметра (75 мм), получены экспериментальные образцы подложек с упорядоченными в гексагональную упаковку массивами субмикронных отверстий в маске. Исследованы методы формирования оптических резонаторов на основе одиночных ННК и их массивов, волноводные и резонансные оптических свойства одиночных ННК на различных подложках. Показано, что такие резонаторы поддерживают оптические моды Фабри-Перо. Файл с дополнительными материалами, приложенный к настоящему отчету, содержит графики, рисунки и более подробные пояснения выполненных исследований и полученных результатов.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Сформирован научный коллектив в составе 27 ученых, в том числе 21 исследователя в возрасте до 39 лет включительно. Три молодых кандидата наук, ранее не работавших в организации, привлеченных в коллектив и трудоустроенных в университете в 2020-2021 гг, продолжили участвовать в выполнении проекта. Заключены договора на выполнение НИР с партнерами, получено в 2021 году софинансирование на общую сумму 6 млн. руб. прямых расходов. Опубликовано 14 статей в журналах Web of Science/Scopus, в том числе 8 в журналах 1-го квартиля (Light Sci. & Appl., Appl. Surf. Sci., ACS Appl. Nano Mater., Nanotechnology, Opt. Lett.), представлено 7 докладов на научных конференциях, в том числе 2 приглашенных доклада. Организована школа молодых ученых (международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам “Saint-Petersburg OPEN 2021”, 25-28.05.2021) с участием более 300 человек, включая 35 зарубежных и 21 российских ведущих ученых в качестве лекторов и 260 слушателей - российский молодых ученых (до 35 лет включительно), аспирантов и студентов очной формы обучения. Выполнены научные исследования, направленные на развитие методов создания микродисковых и микрокольцевых лазеров на основе квантовых точек (КТ) и их интеграцию с кремнием, экспериментальное изучение их свойств, разработку теоретических моделей для описания их характеристик, исследование роста нитевидных нанокристаллов (ННК) на процессированных литографическими методами подложках кремния, создание наногетероструктур (квантовые ямы и квантовые точки) в ННК, оптимизацию процесса селективной эпитаксии и исследования морфологии и структуры синтезированных образцов подложек с ростовой маской. Для оптимизации условий роста наногетероструктур использованы методы компьютерного моделирования и теория нуклеации в многокомпонентных системах. Получены следующие наиболее существенные результаты: Созданы инжекционные микрокольцевые лазеры диаметром 20-40 мкм на основе квантовых точек и выполнено исследование порогового тока в широком диапазоне температур (77-370 К) с помощью спектральных исследований доминантной линии излучения и измерения ватт-амперной характеристики полной мощности. Ниже 120 К обнаружен участок отрицательной характеристической температуры, вблизи 300 К величина Т0 составила 90 К, а начина с 383 К рост порогового тока становится сверхэкспоненциальным. Такое поведение порогового тока объяснено конкуренцией процессов перехода к равновесному заполнению КТ носителями, выброса носителей из активной области и безызлучательной рекомбинации. С использованием новой конструкции СВЧ-платы, используемой для монтажа микролазеров и снижающей влияние электрических паразитов, исследовано быстродействие микрокольцевых КТ-лазеров при прямой высокочастной модуляции. Обнаружено насыщение частоты релаксационных колебаний и ширины полосы модуляции при больших токах (~40 мА) вследствие роста температуры активной области (саморазогрева). Обнаружено, что быстродействие микрокольцевых лазеров сопоставимо с аналогичными микродисковыми лазерами: наибольшие значения (6-6.8 ГГц) ширины полосы модуляции достигаются в приборах с диаметром 20-30 мкм. Исследовано энергопотребление КТ-микролазеров, обладающих улучшенным за счет планаризации тепловым сопротивлением (~4х10−3 (К/Вт)см2 против ~5х10−3 (К/Вт)см2). В неохлаждаемом микродиске диаметром 20 мкм достигнуто энергопотребление (EDR) 1.6 пДж/бит, что является наименьшим значением для микродисковых/микрокольцевых лазеров, работающих без принудительного охлаждения и сравнимо со значениями, ранее продемонстрированными нами для температурно-стабилизированных микродисковых КТ-лазеров. Модернизирован метод гибридной интеграции массивов микродисковых лазеров с кремнием за счет внедрения термокомпрессионного соединения золото-золото. Определены оптимальные режимы термокомпрессии и продемонстрирована высокая стойкость по отношению к нагреву (не ниже 450 град. С) и отрыву (не менее 55 кг/см2). Экспериментально исследовано тепловое сопротивление гибридно интегрированных с кремнием микродисковых лазеров, достигнуто снижение теплового сопротивления до значений менее 2х10^−3 (К/Вт)см2, т.е. примерно в два раза по сравнению с микролазерами до их интеграции с кремнием. Выполнено моделирование отвода тепла от активной области микролазера, учитывающее процессы одномерного протекания теплового потока собственно в микродиске и трехмерного растекания тепла в подложке, получены аналитические выражения для теплового сопротивления и выполнен расчет для микродисков различного диаметра. Показано, что улучшение теплового сопротивления в гибридно-интегрированных с кремнием микродисках обусловлено более высокой теплопроводностью подложки, а также уменьшением толщины полупроводниковых слоев, лежащих между активной областью и подложкой. Впервые детально исследованы характеристики гибридно-интегрированных с кремнием микродисковых лазеров. За счет улучшения их теплового сопротивления продемонстрировано более чем двукратное увеличение максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации по сравнению с их аналогами на GaAs подложке, увеличение предельного тока инжекции (>20 кА/см2), соответствующего полному гашению генерации вследствие саморазогрева, а также увеличение предельного быстродействия в режиме прямой модуляции. Достигнуто рекордное для микродисковых/микрокольцевых лазеров на основе материалов InGaAs/(Al)GaAs значение частоты модуляции (по уровню -3дБ), равная 7.9 ГГц. Созданы протяженные кремниевые волноводы петлевидной формы с высокой степенью вертикальности боковых стенок (не хуже 2 градусов) и высотой (~3 мкм), соответствующей высоте расположения микродискового излучателя, предназначенные для оптического соединения гибридно-интегрированных микролазеров с другими функциональными элементами. Выполнено моделирование характеристик оптического усиления в квантовых точках. Показано, что мощность насыщения усиления линейно растет с током накачки (примерно до 10 кА/см2), а затем перестает меняться вследствие конечной скорости поступления носителей заряда на основной уровень. Проанализированы предельные значения оптической мощности, достижимой с помощью тандема оптический усилитель-лазерный диод, изготавливаемых из одной и той же эпитаксиальной гетероструктуры. Показано, что существует оптимальное значение коэффициента распределения тока между лазерной и усилительной секциями, при котором для заданного полного тока накачки достигается наибольшее значение выходной мощности. Развита модель электрического сопротивления микродисковых лазеров с учетом растекания тока в подложке и эффекта скопления тока вблизи краев контактов, проанализировано влияние геометрии контактов. Обнаружено, что для микролазеров на проводящей подложке с диаметром мезы 10-40 мкм более выгодным является расположение n-контакта сверху, а для больших диаметров – традиционная геометрия контакта снизу подложки. Для дисков предельно малого размера сопротивление фактически не зависит от геометрии контакта, в том числе и при малой толщине проводящего слоя, и определяется сопротивлением слоев мезы. С использованием численного моделирования и натурного эксперимента оптимизирован метод создания масок для селективной эпитаксии упорядоченных массивов ННК. Предложены два подхода для структурирования эпитаксиальных подложек с применением позитивного и негативного фоторезистов. Показано, что для травления отверстий в масках SiOx необходимо на последнем этапе использовать жидкостной метод удаления оксида для предотвращения разрушения верхнего слоя Si подложки. Показано, что наилучшее пространственное разрешение литографии достигается при использовании сфер диаметром около 1,5 мкм. Используемый метод нанесение микросфер путем центрифугированиея обеспечивает покрытие подложек большой площади (3 дюйма в диаметре). Продемонстрирована возможность селективного роста массивов GaN ННК с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии на гибридных подложках SiOx/Si, предварительно спроцессированных фоторезистивным литографическим методом через микросферические линзы. Исследовано влияние температуры подложки на морфологические характеристики полученных образцов. Показано, что полученные селективные ННК обладают высоким кристаллографическим качеством. Исследован рост InGaN ННК на подложках Si(111) с помощью плазменной молекулярно-пучковой эпитаксии. Обнаружено, что при типичных условиях роста изменение температуры подложки всего на 10 °C приводит к значительному изменению структурных и оптических свойств ННК. Исследование фотолюминесценции ННК демонстрирует сдвиг спектров от синего к оранжевому в соответствии с увеличением содержания индия. На основе этих результатов предложен новый подход к монолитному росту InGaN ННК на подложках Si с «многоцветным» излучением света путем создания градиента температуры поверхности подложки при росте ННК. Продемонстрирована возможность роста InGaN ННК с высоким содержанием In на подложках SiC/Si(111) и проведен сравнительный анализ с аналогичными структурами на подложке Si(111). Показано, что интегральная интенсивность ФЛ от ННК на SiC/Si в 5 раз выше, чем от ННК на Si, что указывает на их более высокое оптическое совершенство. Согласно оценкам химического состава для тройных растворов содержание In в «ядре» ННК на подложке Si составляет 44 %, в то время как в ННК на гибридной подложке SiC/Si ~ 33 %. Исследованы факторы, влияющие на формирование различных гетероструктур в ННК А3В5. Установлено, что для гетероэпитакисиальной системы InP/InAsP характерно одновременное формирование различных типов наноструктур на интерфейсе InP/InAsP/InP: помимо формирования аксиальной КТ, образуется также квантовая яма (КЯ) InAsP вокруг тела ННК вследствие латерального роста. В случае системы AlGaAs/GaAs/AlGaAs КЯ не образуется, а КТ GaAs формируется в теле ННК с резкими гетрограницами на обоих гетероинтерфейсах. С помощью метода микросферной литографии при подготовке ростовой подложки синтезированы упорядоченные массивы GaP ННК. Показано, что удалось добиться селективности роста, когда зарождение ННК наблюдается только в сформированных отверстиях маски. Синтезированные массивы GaP ННК исследовались методом картографирования пространственного распределения спектров комбинационного рассеяния света (КРС). Характерной особенностью спектров КРС от ННК помимо “стандартных” для GaP продольного LO и поперечного оптического фононов TO является наблюдение поверхностного оптического фонона (SO), энергия которого лежит между LO и TO пиками. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии выращены массивы GaP ННК со вставками GaPAs в виде дисков. Для выявления влияния соотношения потоков на химический состав формируемых дисков, соотношение потоков V/III последовательно изменялось во время роста при переходе от одного диска к другому в диапазоне 6/8/10/12/14/16/18/20. Увеличение отношения V/III в диапазоне 6-16 приводит к увеличению длин соответствующих сегментов ННК, то есть возрастанию аксиальной скорости роста, варьирующейся от 9 до 40 нм/мин. При этом объем ННК монотонно возрастает в диапазоне от 6 до 12, образование ННК при данных условиях ограничено потоком V-группы. Для отношений V/III больше 12 объем сегмента ННК уже начинает уменьшаться, а длина сегмента (то есть аксиальная скорость роста) еще немного продолжает увеличиваться и затем насыщается. Последний эффект связан с переключением на режим роста, ограниченный потоком III-группы (Ga), а снижение объема сегментов ННК вызвано дефицитом Ga, поглощением каталитической капли и соответствующим уменьшением радиуса ННК. Таким образом, в рамках проекта получены новые научные знания о физических процессах и фундаментальных ограничениях, определяющих характеристики лазерных микрорезонаторов и наноструктур различной размерности на кремнии и других типах подложек. Полученные результаты способствует реализации оптической связи на малых и сверхмалых расстояниях и их интеграции с устройствами кремниевой электроники.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Сформирован научный коллектив в составе 27 человек, в том числе 4 доктора наук и 8 кандидатов наук. В число членов научного коллектива входит 21 исследователь (77.8%) в возрасте до 39 лет, включая 7 аспирантов. Опубликовано по тематике проекта 6 работ в журналах, входящих в базу Web of Science / Scopus / РИНЦ. Организована школа молодых ученых по тематике проекта: 9-я международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам (“Saint-Petersburg OPEN 2022”, 24-27.05.2022). Представлено 10 докладов ведущих ученых, в том числе 1 доклад иностранного ученого. В школе-конференции приняли участие 277 молодых российских участника (до 39 лет включительно), в том числе 60 молодых ученых, 94 аспиранта и 123 студента очной формы обучения. Заключены и выполнены договоры на выполнение НИР по тематикам, родственным проекту. Объем софинансирования в 2022 г. составил 8.0 млн. руб. Впервые исследована возможность гибридной интеграции микродисковых лазеров А3В5 с подложками карбида кремния. Продемонстрирована возможность генерации в непрерывном режиме при комнатной температуре микролазеров, перенесенных на SiC с индивидуальной адресацией. Достигнуто тепловое сопротивление 0.26 К/мВт (для микролазеров диаметром 30 мкм), меньшее, чем в случае аналогичных приборов, интегрированных с Si. Выполнено моделирование теплового сопротивления гибридно интегрированных микролазеров и определены основные факторы, определяющие его величину. Обнаружено, что для микролазеров, гибридно интегрированных с подложкой, обладающей высокой теплопроводностью (более 0.9 Вт/(см*K)), основной вклад в тепловое сопротивление обусловлен слоями А3В5 мезы лазерного резонатора. Исследовано тепловое сопротивление микролазеров на основе лазерной гетероструктуры с оптически связанными волноводами (coupled large optical cavity, CLOC), в которой толщина слоев А3В5 между активной областью и поверхностью гибридно-интегрированой подложки уменьшена до 0.95 мкм. Достигнуто тепловое сопротивление 0.2 К/мВт (для D=30 мкм), что насколько нам известно, является наименьшим значением, сообщенным для микролазеров аналогичного диаметра на основе гетероструктур (Al)GaAs. Продемонстрировано рекордно-высокое значение мощности, излучаемой в свободное пространство в непрерывном режиме генерации 25 мВт. Разработан метод оценки уровня оптических потерь в микродисковых лазерных резонаторах с помощью сопоставления длин волн генерации микролазера и полоскового лазера, изготовленных из одной структуры. Обнаружено, что оптические потери в микролазерах на основе плотных массивов КТ InGaAs подчиняются зависимости 1/D. Основной вклад в потери дает поглощение моды в обедненной активной области у боковой стенки резонатора (толщиной около 2 мкм), вторым по величине фактором является рассеяние света на шероховатостях боковой границы. Измерены амрлитудно-частотные характеристики микродисковых лазеров в режиме прямой модуляции до 20 ГГц и определены параметры, определяющие быстродействие. Впервые определено дифференциальное усиление (4.3Е-16 см^2) и коэффициент компрессии усиления (2.4E-17 см^3) плотных массивов наноостровков InGaAs, формируемых не по механизму Странского-Крастанова. Впервые определен уровень шумов относительной интенсивности микродисковых лазеров на основе наноостровков InGaAs. Обнаружено, что интегральный RIN перестает зависеть от коэффициента подавления боковых мод SMSR начиная с 20 дБ и убывает приблизительно обратно пропорционально квадрату мощности. Ток, соответствующий безошибочной передаче данных, при этом составляет приблизительно 1.7 * пороговый ток. Впервые исследована взаимосвязь коэффициентов токовой зависимости частоты релаксационных колебаний (D-фактор) и ширины полосы модуляции (MCEF) от диаметра микролазера. Обнаружено, что оба меняются пропорционально 1/D, а в области малых размеров (< 20 мкм) демонстрируют насыщение. Впервые исследованы АЧХ микродисковых лазеров при повышенных температурах. Показано, что MCEF снижается пропорционально T в степени -m (~2). Наибольшее значение полосы модуляции при 55 оС превысило 4 ГГц. Развита модель для расчета параметров быстродействия микродисковых лазеров при различных размерах микрорезонатора, токах и температуре. Модель учитывает влияние, оказываемое на АЧХ как релаксационными колебаниями, так и паразитной емкостью, а также принимает во внимание саморазогрев микролазера, проявляющийся при увеличении тока прямого смещения. Созданы микродисковые лазеры, оптически сопряженные с планарным гребешковым волноводом, изготовленным из той же эпитаксиальной пластины. Подтверждено образование оптической связи между микрорезонатором и полосковым волноводом. Определены параметры конструкции, при которых вносимые потери малы. Обнаружено, что коэффициент подавления боковых мод после ввода излучения в волновод как правило увеличивается. Выполнены расчеты оптической мощности, которая может быть получена на выходе секции оптического усилителя полосковой конструкции, примыкающего к микродисковому лазеру. Показано, что при токе 50 мА и длине секции 150…200 мкм выходная мощность составит 9….14 мВт. С помощью микросферной фотолитографии и травления подготовлены подложки SiOx/Si и синтезирована серия образцов нитевидных нанокристаллов (ННК) прямозонных материалов (GaP, InAs и GaN) на кремниевых подложках. Использование маски, полученной термическим прокислением, позволило добиться однородного селективного зарождения ННК в отверстиях маски без разрастания оснований наноструктур. Созданы прототипы фотоприемников на основе упорядоченных массивов InAs ННК на Si, в которых наблюдается фотоотклик в ИК диапазоне, что подтверждает возможность использования ННК в качестве основы фотодиода, работающего вне диапазона кремниевых детекторов (длина волны более 1100 нм). На кремниевых подложках с предварительно текстурированным слоем оксида созданы светодиодные структуры на основе упорядоченных массивов n-GaN/InGaN/p-GaN ННК методом селективного роста МПЭ. Изучены транспортные свойства интерфейса n-GaN/n-Si и продемонстрирована выпрямляющая ВАХ. Напряжение открытия светодиодной структуры составило около 4,5 В, что типично для светодиодных устройств на основе GaN материалов. Измеренные спектры электролюминесценции продемонстрировали пик излучения в диапазоне 500 - 520 нм. Проведено исследование влияния слоя SOI на теплопроводность гибридных подложек и показано, что он ведет к увеличению температуры ростовой поверхности приблизительно на 60 оС. Определены параметры эпитаксиального роста, влияющие на рост ННК в системах материалов GaAs/SOI и GaN/SOI. Показано, что в случае использования SOI возможно увеличение эффективности излучения в несколько раз по отношению к росту на аналогичных подложках кремния.