Результаты проекта

2024 год

Научные результаты

В рамках проекта смоделировано распределение электромагнитного поля в микродисковых резонаторах с активной областью на основе InGaN/GaN квантовых ям на сапфировых и кремниевых подложках. Определена оптимальная толщина и состав слоев для лазерных структур, показано, что добавление буферного слоя в эпитаксиальную структуру значительно улучшает оптическое ограничение. Методом МОС-гидридной эпитаксии выращены гетероструктуры на сапфировых и кремниевых подложках. Оптимизация условий роста позволила достичь высокой однородности и оптического качества. Оптические свойства полученных структур были исследованы методом спектроскопии фотолюминесценции. Был установлен доминирующий механизм рекомбинации и влияние глубины залегания квантовых ям на транспорт носителей заряда и скорость диффузии. Была отработана технология создания микрорезонаторов дисковой формы, поддерживающих моды шепчущей галереи, при помощи плазмохимического травления. Дополнительно была продемонстрирована возможность их модификации фокусированным ионным пучком для улучшения оптического ограничения. Было проведено моделирование мод шестиугольных резонаторов и подтверждена их перспективность для микролазеров. Произведены расчеты для оптимизации p-i-n структур с квантовыми ямами InGaN/GaN. Разработаны и созданы фотошаблоны для формирования инжекционных микродисковых лазеров.

Публикации

1. Kryzhanovskaya N.V., Moiseev E.I., Nadtochiy A.M., Melnichenko I.A., Fominykh N.A., Ivanov K.A., Komarov S.D., Makhov I.S., Lutsenko E.V., Vainilovich A.G., Nahorny A.V., Zhukov A.E. Output Power of III-V Injection Microdisk and Microring Lasers // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2025. Vol. 31. No. 2. Article 1501312. DOI: 10.1109/JSTQE.2024.3450812

2. Melnichenko I.A., Moiseev E.I., Ivanov K.A., Kryzhanovskaya N.V., Vainilovich A., Nahorny A.V., Lutsenko E.V., Zhukov A.E. Mode leakage into substrate in microdisk lasers // St. Petersburg Polytechnic University Journal: Physics and Mathematics. 2024. Vol. 17. No. 3.2. P. 212-216. DOI: 10.18721/JPM.173.242

Мероприятия

1. Круглый стол «Design, fabrication and study of wide-bandgap III-N heterostructures and high quality resonator microlasers» на конференции SPbOPEN 2024.

2. Круглый стол «Проектирование, синтез и исследование гетероструктур на основе широкозонных III-N материалов и микролазеров на основе высокодобротных резонаторов» на XVI российской конференции по физике полупроводников.

3. Онлайн-семинар по результатам выполнения проекта в 2024 году.

4. Онлайн-семинар по планированию задач и работ по проекту на 2025 год.

2025 год

Научные результаты

Выполнено комплексное экспериментальное исследование и теоретическое моделирование микрорезонаторов и микролазеров на основе широкозонных III-N полупроводниковых материалов. Рассчитаны собственные моды, добротность и фактор оптического ограничения микродисковых резонаторов на сапфировых и кремниевых подложках, определены оптимальные буферные и барьерные слои, а также количество и расположение квантовых ям InGaN/GaN. С учётом результатов моделирования осуществлён эпитаксиальный синтез III-N гетероструктур с квантовыми ямами, проведено их исследование методом просвечивающей электронной микроскопии, установлено влияние условий роста на однородность квантовых ям по толщине и составу, а также на ожидаемую величину безызлучательной рекомбинации. Для планарных структур InGaN/GaN на сапфировых подложках проанализирован вклад квантово-размерного эффекта Штарка, рекомбинации Шокли–Рида–Холла и Оже-рекомбинации во внутреннюю квантовую эффективность, что важно для последующей оптимизации лазерных характеристик. Разработаны технологии фотолитографии и плазмохимического травления для формирования микрорезонаторов дисковой, кольцевой и многоугольной формы с гладкими вертикальными стенками; изготовлены микролазеры с радиусом/диаметром 1-12 мкм на сапфировых и кремниевых подложках. Продемонстрирована лазерная генерация в изготовленных микролазерах при комнатной температуре в синем и УФ-диапазонах спектра на модах шепчущей галереи с добротностью свыше 2300. Исследованы микрокольцевые лазеры InGaN/GaN/AlGaN на кремнии, показана высокая температурная стабильность излучения вблизи 420 нм до 100 °C (T₀ порядка 200 К, сдвиг длины волны ~0,01 нм/К). Показано, что постобработка микродисков в водном растворе KOH снижает плотность поверхностных состояний и порог лазерной генерации. Полученные результаты демонстрируют высокий потенциал III-N микродисковых и микрокольцевых лазеров для применения в компактных оптоэлектронных устройствах, включая источники излучения с повышенной температурной стабильностью.

Публикации

1. Kryzhanovskaya N.V., Komarov S.D., Moiseev E.I., Ivanov K.A., Masyutin D.A., Makhov I.S., Tsatsul’nikov A.F., Sakharov A.V., Arteev D.S., Lutsenko E.V., Vainilovich A.G., Nikolaev A.E., Zavarin E.E., Pivovarova A.A., Il’inskaya N.D., Smirnova I.P., Markov L.K., Cherkashin N., Zhukov A.E. High Temperature Operation and Spectral Stability of InGaN/GaN Ring Microlasers on Silicon // IEEE Photonics Technology Letters. 2026. Vol. 38. No. 4. Pp. 243–246. DOI: 10.1109/LPT.2025.3628068

2. Моисеев Э.И., Комаров С.Д., Иванов К.А., Цацульников А.Ф., Луценко Е.В., Войнилович А.Г., Сахаров А.В., Артеев Д.С., Николаев А.Е., Заварин Е.Е., Масютин Д.А., Пивоварова А.А., Ильинская Н.Д., Смирнова И.П., Марков Л.К., Жуков А.Е., Крыжановская Н.В. Лазерная генерация в дисковых микроструктурах InGaN/GaN/AlGaN на кремнии // Письма в ЖТФ. 2025. Т. 51. Вып. 11. С. 41–45. DOI: 10.61011/PJTF.2025.11.60487.20298

Мероприятия

1. Круглый стол «III-N дисковые микролазеры на кремнии: от оптической к токовой накачке» в рамках 8-ого симпозиума"Полупроводниковые лазеры: физика и технология".

2. Круглый стол «Optical WGM microlasers for ultraviolet and visible spectral ranges» на 12-й Школе-конференции с международным участием по Оптоэлектронике, Фотонике и Наноструктурам SPbOPEN 2025.

3. Семинар «Результаты исследования оптических свойств широкозонных гетероструктур и кинетик микрофотолюминисценции микрорезонаторов с InGaN/GaN наноструктурами» на базе Института физики НАН Беларуси.

4. Семинар «Пороговые и спектральные характеристики оптических микролазеров УФ диапазона на основе III-N широкозонных материалов» на базе Института физики НАН Беларуси.

5. Онлайн-семинар по результатам выполнения проекта в 2025 году.

6. Онлайн-семинар по планированию задач и работ по проекту на 2026 год.