Нитрид индия – новый материал для гетеролазеров
Полупроводниковые излучатели – лазеры, оптические усилители, светодиоды, вошли в нашу жизнь, обеспечивая работу волоконо-оптической связи, интернета, мобильной телефонии, являясь важной частью приборов для обработки материалов, для научных исследований, для медицинских и косметологических применений. Физики, химики, технологи ищут новые материалы и разрабатывают новые структуры, эффективно излучающие в различных областях электромагнитного спектра.
Хорошо известны высокоэффективные светодиоды и лазеры на основе нитридов элементов третьей группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева – GaN, AlN и их тройных соединений, излучающие от зеленого до ультрафиолетового диапазонов, а также широкополосные светодиоды белого света, обеспечившие прорыв в практическом применении полупроводниковых излучающих устройств. За изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света, японские физики Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура были награждены Нобелевской премией по физике в 2014 году.
а) изображение слоев структуры в электронном микроскопе;
б) схема гетероструктуры;
в) значения показателя преломления для отдельных слоев;
г) рассчитанная оптическая локализация моды TE0 на длине волны 1,65 мкм
Продвижение светодиодов и лазеров на основе нитридов в длинноволновом направлении, в инфракрасный диапазон для оптической обработки и передачи информации, может оказаться успешным с использованием нитрида индия – полупроводника с узкой шириной прямой запрещенной зоны (менее 0,7 эВ), малой эффективной массой и высокой подвижностью электронов. Этот полупроводник долгое время считался загадочным, нестабильным материалом. Исследователи в Институте физики микроструктур РАН, совершенствуя технологию получения нитрида индия, изучая его свойства, совместно с коллегами из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, изменили отношение к этому полупроводнику, показав перспективу создания на его основе эффективных источников излучения для диапазона длин волн 1,5–2 мкм.
б) схема оптического возбуждения лазерной генерации;
в) спектры стимулированного инфракрасного излучения при различных мощностях накачки
В эпитаксиальных гетероструктурах на основе нитрида индия впервые достигнуто стимулированное (вынужденное) излучение в диапазоне длин волн =1,66–1,9 мкм при оптической накачке. Этот результат получен в Институте физики микроструктур РАН – филиале Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики РАН благодаря развитию нанотехнологии молекулярно-пучковой эпитаксии нитрида индия и применению современных спектроскопических методов. Реализация стимулированного излучения с низким порогом возбуждения из монокристаллического нитрида индия является важным шагом в создании эффективных лазеров и оптических усилителей ближнего инфракрасного диапазона, оптимального для телекоммуникаций.
B. A. Andreev, K. E. Kudryavtsev, A. N. Yablonskiy, D. N. Lobanov, P. A. Bushuykin, L. V. Krasilnikova, E. V. Skorokhodov, P. A. Yunin, A. V. Novikov, V. Yu. Davydov, and Z. F. Krasilnik. Towards the indium nitride laser: obtaining infrared stimulated emission from planar monocrystalline InN structures // Scientific Reports 8, 9454 (2018).