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

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 проекта 22-79-10159

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

Руководитель Подоскин 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

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 слова лазер-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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Слипченко С.О., Подоскин А.А., Гаврина П.С., Кириченко Ю.К., Шувалова Н.В., Рудова Н.А., Капитонов В.А., Лешко А.Ю., Шушканов И.В., Золотарев В.В., Крючков В.А., Пихтин Н.А., Багаев Т.А., Яроцкая И.В. Низковольтные гетеротиристоры InP для генерации импульсов тока длительностью 50-150нс Письма в журнал технической физики (год публикации - 2023)

2. Слипченко С.О., Соболева О.С., Подоскин А.А., Кириченко Ю.К., Багаев Т.А., Яроцкая И.В., Пихтин Н.А. Исследование динамики включения низковольных InP-гомотиристоров Физика и техника полупроводников (год публикации - 2023)

3. Веселов Д.А., Пихтин Н.А., Слипченко С.О., Кириченко Ю.К., Подоскин А.А., Шувалова Н.В., Рудова Н.А., Вавилова Л.С., Растегаева М.Г., Багаев Т.А., Светогоров В.Н,, Падалица А.А., Рябоштан Ю.Л., Ладугин М.А., Мармалюк А.А. Implementation of energy barrier layers for 1550 nm high-power laser diodes Journal of Luminescence, vol. 263. p. 120164. (год публикации - 2023)
10.1016/j.jlumin.2023.120164

4. А.А.Подоскин, И.В.Шушканов, С.О.Слипченко, Н.А.Пихтин, Т.А.Багаев, В.Н.Светогоров, И.В Яроцкая, М.А.Ладугин, А.А.Мармалюк, В.А.Симаков Низковольтные токовые ключи на основе гетероструктур тиристоров Al-In-Ga-As-P/InP для импульсных лазерных излучателей (1.5мкм) наносекундной длительности Физика и техника полупроводников (год публикации - 2024)

5. А.А.Подоскин, И.В.Шушканов, С.О.Слипченко, Н.А.Пихтин, Т.А.Багаев, В.Н.Светогоров, Ю.Л.Рябоштан, М.А.Ладугин, А.А.Мармалюк, В.А.Симаков Гибридные сборки тиристорный ключ - полупроводниковый лазер на основе гетероструктур Al-In-Ga-As-P/InP для мощных импульсных источников лазерного излучения (1400-1500нм) Физика и техника полупроводников (год публикации - 2024)

6. Ризаев А.Э., Подоскин А.А., Шушканов И.В., Крючков В.А., Слипченко С.О., Пихтин Н.А. Анализ механизмов насыщения мощных импульсных полупроводниковых лазеров на основе гетероструктуры InP/InGaAsP, излучающих на длине волны 1.55 мкм. Квантовая электроника (год публикации - 2025)

7. А.А.Подоскин, С.О.Слипченко, И.В.Шушканов, В.А.Крючков, П.С. Гаврина, М.И. Кондратов, А.Е. Гришин, Н.А.Пихтин, Т.А.Багаев, В.Н.Светогоров, М.А.Ладугин, А.А.Мармалюк, В.А.Симаков Источники мощных лазерных импульсов на длину волны 1550 nm на основе конструкций тиристорный ключ-лазер Письма в журнал технической физики (год публикации - 2025)

8. А.А.Подоскин, С.О.Слипченко, И.В.Шушканов, В.А.Крючков, В.А.Капитонов, Н.В. Шувалова, Д.А. Веселов, Н.А.Пихтин, Т.А.Багаев, В.Н.Светогоров, М.А.Ладугин, А.А.Мармалюк, В.А.Симаков Источники мощных лазерных импульсов суб-нс длительности на основе структур тиристорный ключ-лазерный диод для спектрального диапазона 1500nm Письма в журнал технической физики (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках работ третьего года проекта были достигнуты следующие основные результаты: 1. Был проведен анализ эффективности лазерной генерации и оптимизация параметров AlInGaAsP/InP лазерной части, излучающей в спектральном диапазоне 1300-1550нм. На основании проведенного моделирования и анализа излучательной эффективности AlInGaAsP/InP лазерной части, излучающей в спектральном диапазоне 1300-1550нм, при накачке токами до 150А на 100мкм излучающей апертуры, показано, что: (1) Доминирующий вклад в падение излучательной эффективности лазера при высоких токах накачки вносят внутренние потери на носителях заряда в волноводе. (2) Вторым наиболее важным механизмом снижения выходной оптической мощности является ток утечки, образованный главным образом током утечки электронов в p-эмиттер. (3) Проведена оценка роли неоднородного распределения фотонов и усиления вдоль оси резонатора. Данный эффект снижает мощность излучения, при этом не оказывает существенного влияния на основные механизмы насыщения мощности лазера – потери на свободных носителях и ток утечки. Была проведена оптимизация AlInGaAsP/InP лазерной части, излучающей в спектральном диапазоне 1300-1550нм, при накачке токами до 150А на 100мкм излучающей апертуры. В результате оптимизации было показано показано: (1) Для снижения влияния тока утечки и повышения эффективности лазерной части необходимо располагать активную область на минимальном расстоянии от p-эмиттера. (2) Минимальные внутренние потери, связанные с поглощением на свободных носителях, достигаются при оптимальной ширине волновода, обеспечивающей баланс между потерями в эмиттерных и волноводных слоях гетероструктуры. (3) Оптимальная ширина волновода определяется степенью локализации поперечной моды и, соответственно, находится в сильной зависимости от ширины запрещенной зоны волновода, что подчеркивает необходимость проведения численных расчетов под диктуемые различными задачами материалы гетероструктуры. Так же было проведено моделирование влияния широкозонного барьерного влияния барьерного AlInAs слоя в p-эмиттере на излучательные характеристики лазеров на основе гетероструктур InGaAsP/InP. В результате было показано, что: Добавление барьерного слоя AlInAs в p-эмиттер приводит снижению тока утечки, благодаря чему внутренний квантовый выход лазерного диода возрастает до значений, близких к 100%. Подавление данного механизма насыщения излучения позволяет получить близкую к линейной ВтАХ и достигнуть оптической мощности лазера более 50Вт на 150А. Однако, полученная расчетная мощность излучения является теоретическим пределом в рамках использованной модели, которая имеет ограничения и не учитывает ряд физических процессов, оказывающих воздействие на мощность излучения при высоких токах накачки. К таким процессам можно отнести насыщение усиления (которое вводится параметром gain compression) и двуфотонное поглощение. 2. Разработаны экспериментальные образцы импульсных источников лазерного излучения мощностью более 50Вт на основе кристаллов многопереходных структур InP, излучающих в спектральном диапазоне 1300-1500нм. В результате проведенных работ были созданы компактные импульсные источники на длину волны 1550-1600nm на основе вертикальных сборок лазерный диод-тиристорный ключ были успешно реализованы. Использование конструкций лазерного кристалла со сверхширокой апертурой 800µm позволило сохранить высокую излучательную эффективность и продемонстрировать пиковую мощность 73W при длительности импульса 95ns. Продемонстрированный набор габаритны и мощностных характеристик в сочетании с требованиями по безопасности для зрения делает разработанные источники перспективными для лидарных применений. 3. Разработаны экспериментальные образцы импульсных источников лазерного излучения с субнаносекудной длительностью на основе кристаллов многопереходных структур InP, излучающих в спектральном диапазоне 1300-1500нм. Использование гибридных вертикальных сборок «лазерный диод + тиристорный ключ», основанных полностью на гетероструктурах AlInGaAs/InP, позволило создать источники мощных лазерных импульсов суб-нс длительности, обеспечивающие пиковую оптическую мощность 1.4W в режиме генерации одиночного короткого импульса шириной 75ps с ширины излучающей апертуры 100мкм. Частота повторения импульсов достигала 0.5МГц. В дальнейшем возможно развитие в сторону увеличения пиковой мощности за счет оптимизации ширины излучающей апертуры лазерной части и использования туннельно-связанных излучающих лазерных гетероструктур, а также увеличение частоты повторения за счет оптимизации конструкции тиристорной части. Кроме этого, реализация импульсного источника полностью на гетероструктурах AlInGaAs/InP позволяет говорить о возможности создания в будущем полностью интегральных структур, объединяющих функции токового ключа и лазерного источника. 4. Были разработаны экспериментальные тиристорные гетероструктуры с интегрированной лазерной частью, излучающей в спектральном диапазоне 1300-1500нм с использованием технологии MOCVD эпитаксии. В рамках третьего этапа технологические работы были связаны с отработкой технологии эпитаксиального роста гетероструктур лазер-тиристор. Работы были направлены замену легирующей примеси р-типа с цинка на магний с целью повышения рабочих напряжений. Была проведена разработка и рост двух вариантов конструкций гетероструктур AlInGaAsP/InP лазер-тиристоров. В результате исследований было показано, что: (1) Для создания гетероструктур тиристоров на основе структур InP могут использовать конструкции базовых областей, как составного типа с сильнолегированной областью, так и однородно легированные. (2) Допустимо использование в качестве легирующей примеси, как цинка, так и магния. (3) Применение цинка в качестве легирующей примеси р-базы позволило поднять напряжение блокировки до 75В.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Излучатели на основе инжекционных полупроводниковых лазеров на основе кванотоворазмерных гетероструктур известным своей эффективностью, компактностью и относительно низкой стоимостью по сравнению с другими источниками лазерного излучения. Создание импульсных излучателей на их основе – само по себе перспективно с точки зрения замены более дорогих альтернативных лазерных источников. Создание же импульсных излучателей, где в рамках единой компактной сборки (гибридный подход) или в рамках единого полупроводникового чипа (эпитаксиально-интегрированный подход) сочетаются функции как генератора оптического излучения, так и источника импульсной накачки – является особенно актуальным для практических приложений. Подобные импульсные излучатели на основе гетероструктур тиристорного типа (как отдельные тиристорные ключи в сочетании с отдельным лазерным чипом, так и лазер-тиристорные структуры) могут быть реализованы в виде стандартных корпусированных изделий. С учетом безопасного для зрения рабочего диапазона длин волн (1300-1550нм) подобные излучатели актуальны для применения в лидарах для систем автономного управления автомобилями и другими беспилотными транспортными средствами, работающими в присутствии людей.