Как исследуют и создают полупроводники для нанофотоники

В 2022 году Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники Питерской Вышки и Лаборатория эпитаксиальных технологий ЮФУ начали совместные исследования. Это стало возможным благодаря конкурсу «Зеркальные лаборатории». Проект посвящен полупроводниковым гетероструктурам А3B5 с квантовыми точками, излучателям одиночных фотонов, а также микро- и нанолазерам. Наталья Крыжановская и Максим Солодовник дали интервью о современных технологиях и межуниверситетских связях.

Наталья Крыжановская

Фото НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

– Как, когда и при каких обстоятельствах создавались Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники Вышки и Лаборатория эпитаксиальных технологий Южного федерального университета?

– Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники создана приказом ректора Вышки Ярослава Кузьминова 20 января 2020 года в структуре Санкт-Петербургской школы физико-математических и компьютерных наук. В 2020 году был сформирован штат лаборатории, выполнена подготовка лабораторного помещения для размещения парка оборудования, а также организации рабочих мест. Выполнены работы по закупке и запуску научно-исследовательского оборудования, на базе которого создана уникальная научная установка «Комплексный оптоэлектронный стенд». В 2022 году лаборатория была дооснащена новым научно-измерительным оборудованием. Имеющийся комплекс исследовательского оборудования позволяет выполнять исследования свойств полупроводниковых микро- и наноструктур и приборов на их основе.

В Южном федеральном университете процесс шел несколько иначе. Молекулярно-лучевая (или пучковая) эпитаксия и технология полупроводников А3В5 – направления, совершенно новые для Южного федерального университета, т.е. создавались с нуля. Поэтому формирование коллектива шло достаточно медленно. Оформление отдельной научной группы по направлению произошло в 2019 году. И поначалу группа состояла всего из четырех человек. Тогда же в общих чертах появились и контуры основной специализации группы – наноразмерное структурирование поверхности и процессы эпитаксиального роста самоорганизующихся наноструктур на них.

Фото Школы физико-математических и компьютерных наук

Первое знакомство представителей двух научных коллективов состоялось во время проведения одной из конференций для молодых ученых по оптоэлектронике, фотонике и наноструктурам Saint Petersburg OPEN, ежегодно проводимой в Санкт-Петербурге. С 2021 года эта конференция проводится в НИУ ВШЭ – Санкт-Петербург. После этого начало развиваться взаимодействие между группами. А в 2022 году было принято решение об участии в конкурсе «Зеркальные лаборатории», проводимом НИУ ВШЭ. По результатам этого конкурса в структуре Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ была создана Лаборатория эпитаксиальных технологий, в штате которой на сегодня насчитывается 10 сотрудников.

– Расскажите поподробнее о проекте «Создание и исследование полупроводниковых гетероструктур А3В5 с квантовыми точками для нанофотоники, излучателей одиночных фотонов, микро- и нанолазеров». Какие направления исследований существуют? Поделитесь самыми любопытными результатами.

– Проект направлен на изучение процессов получения и создания наноструктур А3В5 с позиционируемыми квантовыми точками для перспективных базовых элементов интегральной оптоэлектроники и нанофотоники – нано- и микроразмерных источников излучения. Квантовые точки – это такие наноразмерные полупроводниковые объекты, спектр которых в некоторой степени подобен спектру атомов, из-за чего их иногда называют искусственными атомами. Изменяя форму и размер таких объектов, можно управлять их электронной структурой, а следовательно, и оптическими свойствами, в том числе и свойствами устройств на их основе. А размещение таких объектов на поверхности в определенном порядке открывает большие возможности как в части новых эффектов, так и в части создания новых устройств на их основе. Создавая на поверхности ямки (углубления) различной формы и плотности, можно не только локализовать формирование квантовых точек в нужных местах, но и расширить возможности управления их свойствами. Несмотря на кажущуюся простоту такого подхода, на практике исследователи сталкиваются с большим количеством научных и технологических задач, которые требуют отдельного изучения, поскольку в таких системах многие процессы протекают несколько иначе и до сих пор остаются малоизученными. Исследование структурных и оптических свойств таких объектов позволяет не только оценить возможности последующего их применения, но и понять особенности процессов роста, а значит, расширить наши возможности в управлении этими процессами на всех уровнях.

Одним из интересных первичных результатов нашего проекта является то, что, видимо, форма создаваемых ямок влияет не только и не столько на размер и форму растущих в них наноструктур, но и непосредственно на процессы их формирования, т.е. зарождение таких объектов в разных ямках может протекать по-разному. Это приводит к тому, что одни структуры оптически, а следовательно, функционально активны, а другие – нет. Ожидается, что данные результаты будут представлены в одном из докладов Школы-конференции с международным участием по оптоэлектронике, фотонике и нанобиоструктурам Saint Petersburg OPEN.

Также в проекте планируется разработка методов формирования оптических резонаторов микро- и нанометрового масштабов в гетероструктурах с позиционируемыми квантовыми точками In(Ga)As/GaAs. Это уже шаг к созданию непосредственно устройств на основе таких структур – микро- и наноразмерных источников оптического излучения, в том числе квантового. Данные устройства являются перспективными в качестве элементной базы не только телекоммуникационных систем, но и интегральной сенсорики, квантовых и оптических вычислений, систем квантовой криптографии и безопасной передачи данных и т.п.

– Как формировался состав ученых коллектива, работающего в рамках проекта? Расскажите о вашем знакомстве и совместной работе с коллегами. Какие точки профессионального соприкосновения связывают коллективы ваших лабораторий?

– Научным руководителем коллектива Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники является член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Алексей Евгеньевич Жуков. На момент создания лаборатории в 2020 году в ее штат входило 10 сотрудников, из них 7 сотрудников по основному месту работы. На момент вхождения в проект «Зеркальные лаборатории» количество сотрудников лаборатории увеличилось до 14 человек. Пополнение и расширение научного состава лаборатории происходит за счет вовлечения студентов в научно-исследовательскую работу. В 2023 году в питерской Вышке открылась аспирантура по физике, сейчас идет набор на новую аспирантскую программу «Физика полупроводников». Успешным для лаборатории опытом стало привлечение российских постдоков в рамках конкурсного отбора НИУ ВШЭ.

Взаимодействие двух лабораторий базируется на уникальной возможности эпитаксиального синтеза полупроводниковых наноматериалов в виде квантовых точек In(Ga)As/GaAs низкой плотности и их постростовой обработки силами коллектива Южного федерального университета и возможностях оптического исследования таких структур на уникальном научном оборудовании силами сотрудников Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ – Санкт-Петербург, а также имеющемся у них опыте создания светоизлучающих устройств на основе квантовых точек.

Алексей Жуков

– Какие цели ставит перед собой коллектив вашего проекта в перспективе ближайшего времени?

– Одним из направлений, активно развиваемых Международной лабораторией квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ – Санкт-Петербург, является разработка и исследование миниатюрных лазерных источников и фотоприемников для интегральных оптических и оптоэлектронных схем, предназначенных, например, для задач оптической передачи и обработки информации, оптических сенсоров и т.д. За последние годы мы значительно продвинулись в этом направлении, однако все еще остается много научных и технологических задач, которые предстоит решить. Одна из наиболее важных – это повышение быстродействия наших микролазеров свыше достигнутых на сегодня 10 Гбит/сек. Мы также очень надеемся, что наши разработки будут востребованы на практике.