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 22-79-10159

НазваниеРазработка многофункциональных гетероструктур с электрической бистабильностью, обеспечивающих генерацию мощного импульсного лазерного излучения в спектральном диапазоне 1300-1500нм

РуководительПодоскин Александр Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 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 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые словалазер-тиристор, электрическая бистабильность, мощный импульсный полупроводниковый лазер

Код ГРНТИ29.19.31

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Предлагаемый проект направлен на решение научной проблемы, связанной с разработкой многофункциональных полупроводниковых гетероструктур AlInGaAs/InGaAsP/InP для источников мощного оптического излучения в спектральном диапазоне 1300-1500нм и высокоэффективных токовых ключей, обеспечивающих нс и суб-нс времена переходных процессов и длительностей импульсов. Основная идея сводится к использованию многопереходных низковольтных гетероструктур AlInGaAs/InGaAsP/InP тиристорного типа с оптической обратной связью (т.е. гетероструктур с тремя p-n переходами), в которых реализованы условия электрической бистабильности и малосигнального управления, а также интегрированной лазерной частью. Предлагаемый подход обладает следующими преимуществами: (1) Электрическая бистабильность позволит реализовать функции токового ключа за счет двух устойчивых состояний многопереходной гетероструктуры: закрытое – без электропроводности и открытое – с низким омическим сопротивлением. (2) Низковольтность (блокирующие напряжения до 50В) за счет использования малых толщин эпитаксиальных блокирующих слоев, дает низкое сопротивления и малое остаточное напряжение в открытом состоянии, что должно обеспечить высокую эффективность работы в широком диапазоне длительностей генерируемых импульсов. (3) Малые толщины блокирующих слоев (до 10мкм) позволят реализовать условия низких значений встроенных емкостей, что даст возможность повысить частоты повторения генерируемых импульсов до МГц уровня. (4) Малые сигналы управления, реализуемые за счет оптической обратной связи, позволят эффективно включать как одиночные ключи, так и наборные решетки ключей, как результата повысить амплитуду коммутируемых импульсов тока до кА уровня. (5) Для реализации функции лазерного источника на длины волн 1300-1500нм в многопереходную гетероструктуру будет интегрирована лазерная часть AlInGaAs/InGaAsP. Т.к. разрабатываемый в рамках данного проекта подход позволяет объединить функции сильноточного ключа и лазерного излучателя спектрального диапазона ~1500нм в одной монолитной гетероструктуре, то это существенно упрощает конструкцию импульсного лазерного источника, делает такой источник компактным (нет необходимости в использовании дискретных элементов ключей и драйверов). (6) Монолитная интеграция позволяет снизить паразитные связи в контуре тока накачки, что ведет к повышению эффективности, а также повышению скорости переходных процессов и сокращению длительностей генерируемых импульсов тока до нс значений при повышении их амплитуды, что позволит повысить выходную пиковую мощность лазерного излучения до уровня в десятки Вт для одиночных источников и в дальнейшем до сотен Вт для многоэлементных источников в спектральном диапазоне 1300-1500нм, а также реализовать условия для получения суб-нс длительностей в режиме gain switching. Данные преимущества крайне важны при создании лазерных ЛИДАРов, неотъемлемым элементом которых являются мощные импульсные полупроводниковые лазеры, излучающие в спектральном диапазоне 1300-1500нм. Выбор данного спектрального диапазона обосновывается высокой пороговой мощностью лазерного излучения, которая безопасна для глаз, что позволяет поднять разрешающую способность и дальнодействие ЛИДАРа за счет большей допустимой мощности рабочего излучателя. Кроме этого, в данном диапазоне атмосфера является естественным фильтром для фонового излучения, что упрощает задачу регистрации полезного сигнала, отраженного от препятствия. Актуальность результатов проекта для практического использования обусловлена тем, что в настоящее время бурно развивается направление, связанное с разработкой беспилотных транспортных средств, где участвуют ведущие мировые лидеры в области информационных технологий (Google, Yandex и др.) и автомобилестроения (Ford, Hyundai и др.). Ключевая задача для данного направления связана с разработкой систем мониторинга окружающего пространства, которые основаны на использовании 3D ЛИДАРов, где в качестве источников излучения применяются импульсные полупроводниковые лазеры на длину волны 1500нм. Таким образом, реализуемые преимущества разрабатываемого в проекте подхода для создания мощных импульсных источников излучения в спектральном диапазоне 1300-1500нм, по сравнению с существующими решениями, открывает широкие возможности для практического использования результатов проекта, в том числе для создания лазерных систем мониторинга для транспортных средств (в том числе и беспилотных). Результаты проекта также востребованы Российскими производителями. В частности подтвердил заинтересованность в результатах проекта АО «НИИ Полюс» и скорейшее внедрение будет реализовано за счет согласования и апробации разрабатываемых технологий сотрудниками предприятия, являющимися участниками проекта. Также важно отметить, что результаты проекта могут быть использованы для создания новой компонентной базы твердотельной импульсной электроники высоких мощностей, где разрабатываемые быстрые токовые ключей могут использоваться как запускающие драйверы. Предлагаемые решения для генераторов импульсов лазерного излучения и тока по совокупности характеристик (длительность, частота, амплитуда, спектральный диапазон) не имеют аналогов в мире. Научная новизна Впервые многопереходные гетероструктуры с электрической бистабильностью будут реализованы на базе системы твердых растворов AlInGaAs/InGaAsP/InP как многофункциональные устройства обеспечивающие генерацию импульсов тока и мощного лазерного излучения для спектрального диапазона 1300-1500нм с длительностью в суб-нс и нс-диапазоне и уровнем пиковой выходной оптической мощности десятки Вт для одиночных источников. Решение поставленной задачи будет связано с (1) теоретическими исследованиями транспорта и лазерной генерации в могопереходных гетероструктурах AlInGaAs/InGaAsP/InP в условиях сверхвысоких плотностей токов и мощности лазерного излучения, (2) экспериментальными исследованиями в части технологии создания кристаллов мощных импульсных источников излучения на основе многопереходных гетероструткру AlInGaAs/InGaAsP/InP с электрической бистабильностью и (3) экспериментальными исследованиями статических и динамических электро-оптических характеристик многопереходных гетероструктур с электрический бистабильностью и мощных импульсных источников излучения в спектральном диапазоне 1300-1500нм на их основе. В результате проекта будет исследована возможность создания компактного генератора лазерных импульсов в спектральном диапазоне 1300-1500нм с интегрированным токовым ключом, обеспечивающим уникальный набор характеристик: суб-нс и нс длительности импульсов, пиковые мощности более 20Вт с частотами повторения в МГц диапазоне.

Ожидаемые результаты
В рамках предлагаемого проекта будут разработаны многофункциональные полупроводниковые гетероструктуры для источников мощного импульсного лазерного излучения в спектральном диапазоне 1300-1500нм и высокоэффективных токовых ключей, обеспечивающих нс и суб-нс времена переходных процессов и длительностей импульсов. Базовый подход будет основан на многопереходных гетероструктурах AlInGaAs/InGaAsP/InP с электрической бистабильностью, обеспечивающей эффективную генерацию импульсов тока при малосигнальном управлении, и интегрированной лазерной частью, обеспечивающей генерацию мощного лазерного излучения для спектрального диапазона 1300-1500нм без использования внешних генераторов импульсов тока. Для решения поставленных задач будут разработаны нелокальные двухмерные модели транспорта носителей заряда в многопереходных гетероструткурах, учитывающие эффекты, проявляющиеся в сильных электрических полях: насыщение скорости дрейфа в протяженных областях электрического поля и баллистический транспорт в узких доменах электрических полей, ударная ионизация, конечное время энергетической релаксации. С использованием разработанных моделей будут исследованы механизмы обратной связи в многопереходных гетероструктурах AlInGaAs/InGaAsP/InP с гетеропереходами второго рода, а также эффекты пространственной локализации тока при формировании узких ионизирующих доменов электрических полей. Будут исследованы закономерности формирования ионизирующих доменов сильных электрических полей в многопереходных гетероструктурах и описание механизмов транспорта через такие домены в условиях сверхвысоких плотностей токов. Проведенные исследования позволят определить фундаментальные ограничения при реализации нс и суб-нс времен переходных процессов и амплитуд коммутируемых токов как в токовых ключах, так и при генерации мощного лазерного излучения. Разработанные модели и полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы для разработки мощных сильноточных транзисторов и диодов на основе полупроводниковых гетероструктур различных типов и материалов. Основные ожидаемые результаты (1) Будут исследованы процессы лазерной генерации в спектральном диапазоне 1300-1500нм в гетероструктурах AlInGaAs/InGaAsP/InP при сверхвысоких уровнях токовой накачки в условиях динамической пространственной неоднородности токовой накачки с характерными временами переходных процессов в суб-нс и нс-диапазонах. Полученные результаты будут использованы как для оптимизации лазерной части многопереходной гетероструктуры, так и для последующих исследований и разработок мощных высокоэффективных импульсных полупроводниковых лазеров с прямой импульсной токовой накачкой, в том числе на основе других материалов и других спектральных диапазонах, что важно для области исследований полупроводниковых лазеров в целом. (2) Будут развиты подходы для анализа многоэлементных интегральных конструкций на основе многопереходных гетероструктур, учитывающие как эффекты транспорта в сильных электрических полях, так и генерацию лазерного излучения, что необходимо для решения задачи повышения выходной оптической мощности и амплитуды коммутируемого тока. На основании проведенных исследований будут разработаны конструкции многофункциональных полупроводниковых гетероструктур для источников мощного импульсного лазерного излучения в спектральном диапазоне 1300-1500нм и высокоэффективных токовых ключей. Разрабатываемые динамические модели наполненные эффектами, проявляющимися при транспорте носителей в сильных электрических полях, позволят в дальнейшем проводить имитационное моделирование с экспериментальной точностью в широком спектре полупроводниковых твердых растворов, а также проводить исследования и разработки мощных твердотельных ключей с временами переходных процессов в нс и суб-нс диапазоне. (3) Будут разработаны базовые технологии создания экспериментальных образцов многопереходных гетероструктур AlInGaAs/InGaAsP/InP с электрический бистабильностью, включая технологию роста с использованием метода MOCVD эпитаксии, технологии формирования планарных волноводных и многоэлектродных конструкций, а также их пассивации. (4) Будут экспериментально исследованы подходы для создания мощных импульсных источников лазерного излучения с использованием многопереходных гетероструктур AlInGaAs/InGaAsP/InP с электрической бистабильностью и малосигнальным управлением. В результате проекта будет исследована возможность создания компактного генератора лазерных импульсов в спектральном диапазоне 1300-1500нм с интегрированным токовым ключом, обеспечивающим уникальный набор характеристик: суб-нс и нс длительности импульсов, пиковые мощности более 20Вт с частотами повторения в МГц диапазоне, а также возможность создания многоэлементных источников излучения, позволяющих повышать выходную мощность. Планируемые результаты, полученные при выполнении теоретических и экспериментальных исследований, будут продемонстрированы впервые, а совокупность достигаемых характеристик разрабатываемых приборов (пиковая мощность, длительность, эффективность, массогабаритные характеристики) превышает существующий мировой уровень. Разрабатываемые источники мощного импульсного лазерного излучения обладают преимуществом по сравнению с существующими аналогами на основе одиночных полупроводниковых лазеров. В первую очередь это выражается в отсутствии необходимости использования внешних схем для генерации импульсов тока накачки, т.к. в предлагаемом решении токовый ключ интегрирован в структуру кристалла, что обеспечивает компактность и эффективность за счет отсутствия промежуточных элементов токового контура. Кроме этого, интегральное исполнение позволит решать задачи снижения длительности лазерных импульсов и повышения пикового тока накачки и пиковой мощности за счет отсутствия паразитных связей, что необходимо для повышения дальности и разрешения при решении задач дальнометрии. Таким образом, разрабатываемые в проекте решения будут востребованы для создания компактных дальномеров и ЛИДАРов как российскими наукоемкими производствами, одно из которых организовано на базе АО НИИ «Полюс», так и зарубежными.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---