КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-10002

НазваниеТемпературно-стабильные быстродействующие микролазеры с квантовыми точками InGaAs на подложках кремния

РуководительИванов Константин Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словамикролазеры, квантовые точки, интеграция А3В5 с кремнием, оптическая передача данных, тепловое сопротивление, моды шепчущей галереи, связанные оптические резонаторы

Код ГРНТИ29.33.15

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной целью проекта является исследование физических процессов, ограничивающих температурную стабильность характеристик микролазеров, предназначенных для применения в интегральных системах оптической связи; развитие методов улучшения температурной стабильности микролазеров, перенесенных на инородную подложку; и, как результат, реализация температурно-стабильного компактного источника лазерного излучения, гибридно интегрированного с кремнием и способного осуществлять оптическую передачу данных с высокими скоростями в условиях повышенных температур без принудительного охлаждения. Объектом исследования являются перенесенные на кремний инжекционные микролазеры на основе микрорезонаторов с модами шепчущей галереи (МШГ) с активной областью, представляющей собой сверхплотные массивы квантовых точек InGaAs. Такие микролазеры перспективны для использования в качестве оптических источников в разрабатываемых оптоэлектронных интегральных схемах, сочетающих как элементы кремниевой транзисторной логики, так и устройства микрооптики (волноводы, фильтры, устройства ввода-вывода и др.), предназначенных для обработки и обмена большими объемами данных. Использование квантовых точек позволяет снизить плотность тока, необходимую для достижения инверсии заселенности, а также достичь слабой чувствительности к поверхностной безызлучательной рекомбинации и структурным дефектам, тем самым давая возможность реализовать лазеры малого размера (~10мкм), обладающие низкими рабочими токами (~1 мА). В отличие от вертикально-излучающих лазеров, резонаторы с МШГ не требуют толстых брэгговских отражателей, что существенно упрощает технологию изготовления, а вывод излучения в плоскости подложки облегчает интеграцию с другими элементами. Оптический источник, предназначенный для использования в составе интегральной оптоэлектронной схемы, должен обладать малыми размерами и при этом работать при повышенных температурах, вызванных выделением тепла как самим микролазером, так и окружающими его элементами схемы. При этом весьма желательным является отказ от принудительного охлаждения, поскольку это позволяет уменьшить энергопотребление, увеличить автономность, снизить общие габариты. В то же время уменьшение размеров лазерного источника как правило сопровождается уменьшением площади теплового контакта и ведет, как результат, к увеличению его температурной чувствительности. Таким образом, в проекте поставлены две задачи, кажущиеся на первый взгляд взаимоисключающими – уменьшение размеров лазерного оптического источника и достижение высокой температурной стабильности его характеристик, и прежде всего скорости модуляции оптического сигнала. Реализация проекта позволит получить новые фундаментальные знания по физике микролазеров с квантворазмерной активной областью и, в частности, о природе оптических потерь в МШГ-резонатора, причинах температурной чувствительности пороговых и высокочастотных характеристик, а также проверить несколько гипотез относительно причин ограничения минимального размера микролазера, в котором возможно достижение лазерной генерации. Научная новизна проекта подтверждается тем, что в нем впервые будут выполнены исследования пороговых и динамических характеристик микролазеров с квантовыми точками, гибридно интегрированных с кремнием. Впервые для МШГ-микролазеров на основе квантовых точек будут экспериментально и теоретически исследована температурная зависимость динамических характеристик (скорости прямой модуляции, частоты релаксационных колебаний) и установлена их корреляция с размерами микролазера. Впервые будет выполнено детальное исследование энергии, затрачиваемой на передачу одного бита информации, при оптической передаче данных микролазером при повышенных температурах. Впервые будут исследованы оптические потери различной природы (вследствие рассеяния света на шероховатостях микрорезонатора, вследствие поглощения обедненным приповерхностным слоем и т.д.) и определены доминирующие механизмы и их зависимость от диаметра микролазера. Впервые для создания МШГ-микролазеров будут использованы лазерные гетероструктуры на основе оптически связанных волноводов, позволяющие снизить толщину промежуточных полупроводниковых слоев, располагающихся между активной областью микролазера и интерфейсом А3В5-кремний. Предполагается, что будут созданы микролазеры, обладающие толщиной промежуточных слоев менее 1 мкм, что позволит исследовать вклад пути отвода тепла в гибридную подложку и, в том числе, влияние теплового зазора между ней и активной областью микролазера, на его тепловое сопротивление и температурную стабильность характеристик. Главным практическим результатом проекта будет определение путей достижения и непосредственная реализация высокой температурной стабильности приборных характеристик МШГ-микролазеров, интегрированных с кремнием, увеличение их быстродействия и уменьшение энергозатрат при оптической передаче данных, и, таким образом, демонстрация микролазеров на кремнии с улучшенными приборными параметрами.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет получен значительный объем новых экспериментальных данных по динамическим характеристикам микролазеров на основе резонаторов с модами шепчущей галереи, перенесенных на инородную подложку, систематизированных в зависимости от размера микрорезонатора и температуры активной области микролазера в широком диапазоне их изменения. Эти экспериментальные данные имеют высокую практическую значимость, поскольку определяют возможности применения предложенных микролазеров в системах оптической связи и обработки информации, а также сенсорики, устанавливая рабочие характеристики этих систем и указывая пути их дальнейшей оптимизации. С фундаментальной точки зрения полученные результаты развивают теоретическое описание оптических микрорезонаторов с модами шепчущей галереи, полупроводниковых лазеров и самоорганизующихся квантовых точек. Кроме того, разработанные модели и полученные экспериментальные данные могут служить основой для расширения модельных представлений и о других типах полупроводниковых нано- и микроструктур и различных оптоэлектронных приборов на их основе (сенсоры, фотодетекторы, оптические модуляторы, оптические усилители), выходя за рамки анализа, предпринятого в настоящем проекте. В проекте будут разработаны новые модели для описания температурных и размерных зависимостей динамических, пороговых и иных характеристик микролазеров, на основе которых будет выполнен анализ влияния различных физических явлений, протекающих или могущих протекать в исследуемых приборных структурах, определены наиболее существенные из них. В частности, будет выполнен, экспериментально и теоретически, анализ уровня оптических потерь в микролазерах на основе МШГ-резонаторов, их связь с размерами резонатора, конструкцией активной области и температурой. Как результат, будут численно определены достижимые значения приборных характеристик МШГ-микролазеров с квантовыми точками и способы реализации предельно достижимых параметров. Понимание того, какие именно внутренние процессы ограничивают предельные характеристики микролазеров на кремнии позволит определить пути их оптимизации и предложить возможные варианты решения проблемы, оценивая целесообразность изменений, вносимых в слоевую конструкцию лазерной гетероструктуры, геометрию микролазера и др. Развитые модели могут иметь значимость для анализа других типов приборов (прежде всего, полупроводниковых оптических усилителей и микрофотоприемников), а также использоваться как элемент при построении более объемлющих физических моделей. Будет выполнен экспериментальный и модельный анализ влияния переноса микролазеров с квантовыми точками на инородную подложку (кремний) на их оптические, тепловые, пороговые, динамические и иные приборные характеристики. Таким образом, получит развитие новый метод гибридной интеграции, что является необходимым шагом на пути создания оптоэлектронных интегральных схем на основе кремниевой фотоники и лазерных излучателей А3В5. Для создания микролазеров будет использованы гетероструктуры на основе оптически-связанных волноводов, позволяющие, в частности, в разы уменьшить толщину p-эмиттерного слоя по сравнению с лазерными гетероструктурами традиционной конструкции. Это в свою очередь позволит приблизить активную область микролазера к поверхности гибридной подложки до рекордно-низких значений менее 1 мкм, улучшая тем самым отвод тепла от микролазера. Мы ожидаем, что выполненные в рамках заявленного проекта детальные исследования подтвердят нашу гипотезу о том, что основной причиной наблюдаемого ограничения характеристик микродисковых лазеров является их саморазогрев, т.е. рост температуры активной области по отношению к температуре теплоотвода. Более того, мы ожидаем значимого улучшения температурной стабильности, повышения предельной рабочей температуры и увеличения быстродействия за счет более эффективного отвода тепла от активной области в гибридно-интегрированных микролазерах. Ожидается, что в результате реализации проекта будут созданы КТ-микролазеры на кремниевых подложках, обладающие рекордными характеристиками: гибридная интеграция с кремнием массива лазерных микроизлучателей с индивидуальной адресацией (независимое варьирование тока накачки всех элементов массива), удельное тепловое сопротивление (1…1.5)*10^-3 (К/Вт)*см2, максимальная частота прямой модуляции оптического излучения (по уровню -3 дБ) свыше 10 ГГц (при комнатной температуре без принудительного охлаждения) и свыше 6 ГГц при 60оС, расчетные минимальные энергозатраты на передачу одного бита менее 1 пДж при комнатной температуре. Впервые для КТ-микролазеров на кремнии будет продемонстрирована безошибочная оптическая передача данных при повышенной температуре со скоростью не менее 10 Гб/c.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были созданы микролазеры с МШГ-резонатором различного диаметра (~10…200 мкм) на основе гетероструктур с прямоугольным волноводом GaAs/AlGaAs. Активная область лазера состояла из пяти слоев квантовых яма-точек (КЯТ) InGaAs/GaAs. Также были изготовлены микролазеры с кольцевой геометрией и дисковой геометрией, но верхним кольцевым контактом. Было выполнено исследование ВАХ лазеров. Последовательное сопротивление обратно пропорционально площади контакта. Значения напряжения открытия диода около 1,15 В примерно соответствуют длине волны излучения лазеров вблизи порога генерации (длина волны около 1,08 мкм). Были созданы двухрядные массивы микродисковых лазеров различного диаметра, перенесённые на кремниевые подложки методом гибридной интеграции. Перед интеграцией произведено утонение подложки GaAs для обеспечения теплоотвода, достигнута минимальная толщина 120 мкм. Далее кремниевая пластина с интегрированным на нее массивом микродисков была разделена при помощи лазерной резки. Измерение спектров микродисковых лазеров до и после лазерной резки чипов показало, что пороговые характеристики и модовый состав не изменились. Исследование показало, что тепловое сопротивление микродисков, интегрированных с кремнием, в основном определяется растеканием тепла через кремниевую подложку, тогда как слои эпитаксиальной гетероструктуры и металлизация дают незначительный вклад. Сделан вывод о том, что отвод тепла через верх в случае гибридной интеграции микродисков на кремний является малоэффективным. Были исследованы спектры лазерной генерации МШГ-микролазеров различного диаметра при комнатной температуре. На спектрах генерации наблюдаются узкие линии, соответствующие высокодобротным МШГ, в спектральной области, соответствующей основному оптическому переходу вблизи 1080 нм. С увеличением диаметра микролазеров наблюдается уменьшение плотности порогового тока, что связано с меньшими потерями в лазерах большего диаметра. С увеличением тока накачки лазера происходит длинноволновый сдвиг линии лазерной генерации связанный с саморазогревом активной области. С увеличением диаметра тепловое сопротивление падает обратно пропорционально диаметру лазера. Для исследования температурной стабильности характеристик лазеров мы исследовали лазерную генерацию в дисках диаметром 10-40 мкм при нагреве держателя образца до 110 °С. В микролазерах диаметром 30-40 мкм генерация наблюдалась до ~100°C. Для лазеров диаметром 10 мкм максимальная температура генерации снижается до 40°C из-за высокого теплового сопротивления. Были исследованы зависимости выходной мощности микролазеров различного диаметра от тока накачки. Обнаружен немонотонный характер зависимостей, связанный с участием в лазерной генерации нескольких мод и гашением/появлением в спектре генерации дополнительных мод по мере разогрева лазера при увеличении тока накачки. Все зависимости испытывают насыщение и загиб, связанный с разогревом лазеров. Максимальное значение выходной мощности (140 мВт) получено для лазера диаметром 200 мкм с дисковой геометрией резонатора и контакта. В случае использования кольцевой геометрии резонаторов максимальная мощность получена для резонаторов с внешним диаметром 50 мкм (~30 мВт). Насыщение выходной мощности может быть связано с особенностями растекания тока в верхнем кольцевом контакте лазеров большого размера и наличии непрокачиваемых областей. Из анализа вольт-амперных и ватт-амперных характеристик микролазеров были получены зависимости КПД от внешнего диаметра лазера. Для лазеров минимального исследованного диаметра (15 мкм) КПД не превышает единиц процентов. Невысокий КПД лазера дисковой геометрии связан с низкими потерями на вывод излучения. При увеличении диаметра лазеров до 50 мкм происходит увеличение КПД до ~11%, что может быть связано с участием в лазерной генерации мод, обладающих меньшей добротностью и более высокими потерями на выход. Дальнейшее увеличение диаметра дисковых лазеров не приводит к повышению КПД. Таким образом, использование лазеров диаметром более 50 мкм для целей данной работы нецелесообразно. Для исследования оптических потерь в МШГ-лазерах из тех же эпитаксиальных структур были изготовлены полосковые лазеры. Было определено максимальное значение полных оптических потерь методом экстраполяции зависимости дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора. В результате проведения расчётов оптических потерь в микродисковых лазерах с использованием различных моделей было обнаружено, что среди безызлучательных потерь доминируют потери вследствие приповерхностного поглощения, а среди излучательных потерь – вследствие поверхностного рассеяния. Времяразрешенные исследования динамики люминесценции КТ показали, что динамика ФЛ структур после быстрого нарастания (~10 пс) сигнала характеризуется двумя участками: постоянной интенсивности (плато) и экспоненциального спада. Исходя из этого сделан вывод о том, что такое поведение вызвано быстрым обменом носителей между КТ и объёмным материалом (матрицей) и относительно медленным временем излучательной рекомбинации. При этом участку плато соответствует режим избыточного количества носителей в матрице и полностью заполненных КТ, а участку спада – режим рекомбинации через состояния КТ. По итогам моделирования сделан вывод о том, что между КТ и матрицей обмен носителями происходит без участия смачивающего слоя. Зависимость длительности плато от температуры объясняется температурным сдвигом линии поглощения излучения накачки матрицей, что приводит к росту с температурой количества носителей в момент выключения импульса накачки. Рост же показателя экспоненциального затухания объясняется интенсификацией теплового выброса носителей из КТ в матрицу. Амплитудно-частотные характеристики микролазеров были исследованы в режиме прямой токовой модуляции. Быстродействие возрастает при уменьшении диаметра вплоть до примерно 20 мкм, после чего остается неизменным или снижается. При комнатной температуре наибольшая достигнутая частота -3дБ составила около 6 ГГц, при повышенной температуре (55оС) около 3.5 ГГц. Это позволяет предположить, что предельное быстродействие исследуемых микролазеров ограничено вследствие роста температуры активной области сверх температуры теплоотвода. Для формирования лазерной гетероструктуры, обеспечивающей снижение теплового сопротивления, была использована конструкция лазера со связанными оптическими волноводами. В результате моделирования была определена конструкция лазерной гетероструктуры, оптимальная с точки зрения глубины залегания активной области по отношению к поверхности. Особенностями конструкции является использование широкого (многомодового) активного волновода толщиной около 1.3 мкм. В таком волноводе фундаментальная мода сильно локализована и, таким образом, слабо проникает в эмиттерные слои. Это позволяет уменьшить верхний эмиттерный слой (p-типа) до 0,5мкм. Партнерами (НТЦ микроэлектроники и субмикронных гетероструктур) были отработаны параметры эпитаксиального роста отдельных элементов лазерной гетероструктуры и выполнен синтез трех лазерных гетероструктур с близким дизайном. Исследование вольт-амперных характеристик лазеров, изготовленных из полученных гетероструктур, показало отсутствие дополнительных электрических барьеров для протекания носителей заряда внутри эпитаксиальной гетероструктуры или на контактах. Лазерная генерация через основной оптический переход активной области сохраняется до длины лазерного резонатора 250 мкм, что свидетельствует о высоком модовом усилении (не менее 50 см-1). Длинные лазеры продемонстрировали низкую пороговую плотностью тока (менее 400 А/см2), что свидетельствует о приемлемом лазерном качестве материала. Исследование зависимости внешней дифференциальной эффективности от длины резонатора показало, что структура характеризуется низкими внутренними оптическими потерями (2.9 см-1) и высокой внутренней дифференциальной квантовой эффективностью (91%).

 

Публикации

1. Жуков А.Е., Моисеев Э.И., Надточий А.М., Фоминых Н.А., Иванов К.А., Махов И.С., Максимов М.В., Зубов Ф.И., Крыжановская Н. В. Optical Loss in Microdisk Lasers With Dense Quantum Dot Arrays IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 59, no. 1, 2000108 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/JQE.2022.3229300

2. Иванов К.А., Надточий А.М., Крыжановская Н.В., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Мельниченко И.А., Максимов М.В., Жуков А.Е. Time-resolved temperature-dependent photoluminescence spectroscopy of InGaAs/GaAs quantum well-dots Journal of Luminescence, Vol. 255, Article No. 119620 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.119620

3. Надточий А.М., Мельниченко И.А, Иванов К.А., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Максимов М.В., Крыжановская Н.В., Жуков А.Е. Температурные зависимости излучательного и безызлучательного времени жизни носителей в квантовых яма-точках InGaAs Физика и техника полупроводников, Т. 56, вып. 10, стр. 993 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/FTP.2022.10.53961.9963