Исследователи НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург изучили устойчивость микролазеров к высоким температурам
Сотрудники Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург выявили температурную устойчивость InGaN/GaN микролазеров. Исследование открывает новые возможности для создания фотонных схем, передающих данные в электронных устройствах. Работа опубликована в журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки».
Модернизация современной электроники требует увеличения плотности компонентов на плате и уменьшения их размеров. Это приводит к значительному нагреву токопроводящих элементов, что увеличивает энергопотребление и приводит к искажению сигналов.
Ученые ищут решение этой проблемы в замене электрических соединений внутри микросхем оптическими. Одно из наиболее перспективных направлений — использование микродисковых лазеров на основе нитридов III группы: соединений галлия и азота (GaN) и сплава с индием (InGaN). Их ключевые преимущества — высокая термическая и химическая стабильность, лазерная генерация в ультрафиолетовом диапазоне и возможность интеграции с кремниевой фотоникой. К настоящему моменту малоизученным остается вопрос изменения характеристик InGaN/GaN микролазеров на кремниевой подложке при высоких температурах.
Стажер-исследователь Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург Дмитрий Масютин при участии сотрудников Института физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, НТЦ микроэлектроники РАН и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН провел серию экспериментов. Их цель — выявить, как изменяется работоспособность InGaN/GaN микролазеров на кремниевой подложке при повышении температуры. Ученые исследовали диск диаметром пять микрометров, что примерно в двадцать раз меньше толщины человеческого волоса.
Образец размещался на нагревателе, температура которого варьировалась от 25 до 100 градусов Цельсия. Эти условия максимально приближены к работе реального электронного устройства. Лазер запускался методом оптической накачки: внешний источник излучения возбуждал активную область микродиска, вызывая генерацию света на определенной длине волны.
Дмитрий Масютин
Стажер-исследователь Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники
«В рамках эксперимента мы исследовали спектры фотолюминесценции микролазеров при повышенной температуре. При поглощении лазерного излучения накачки активной областью микродиска электроны переходят на возбужденные энергетические уровни. При последующей релаксации происходит излучение фотонов. Такой процесс и называется фотолюминесценцией. Он широко используется в оптических исследованиях. В случаях, когда структуры обладают необходимыми для начала лазерной генерации свойствами, на спектрах фотолюминесценции могут присутствовать и их лазерные линии, что позволяет исследовать длину волны генерации и пороговые характеристики образцов», — объясняет Дмитрий Масютин.
Исследования продемонстрировали сохранение технических свойств InGaN/GaN микродисковых лазеров на кремниевой подложке при нагреве до 100 градусов Цельсия. При этом сдвиг пика лазерной генерации составил всего два нанометра (с 413 нанометров при 25 градусах до 415 нанометров при 100 градусах), а пороговая мощность накачки оставалась почти неизменной — в пределах 245–255 мкВт, что говорит о стабильности устройства.
«Температурная стабильность — критически важный для полупроводниковых лазеров параметр. Нагревание может приводить к увеличению порога и сильному изменению длины волны генерации. Устойчивость этих параметров в диапазоне от 25 до 100 градусов позволит без опаски использовать лазеры в повседневной жизни без дополнительного охлаждения», — подчеркивает Дмитрий Масютин.
Исследование может приблизить массовое применение InGaN/GaN микролазеров в оптоэлектронных устройствах. В перспективе такие фотонные схемы позволят сократить затраты на производство и сделать более эффективными суперкомпьютеры, электрокары и медицинские приборы.
