Рис. 1. Рассчитанные диаграммы зоны проводимости и квадраты модулей волновых функций электронов структуры ТГц ККЛ на основе GaAs/Al0.15Ga0.85As при температуре T = 70 К и напряжении на периоде структуры V = 66 мВ. Стрелками обозначены излучательные переходы. Пунктирным прямоугольником обозначен период каскадной структуры. Источник: пресс-служба ИПФ РАН
В Институте физики микроструктур – филиале ИПФ РАН впервые в мире продемонстрирован непрерывный двухфотонный терагерцовый квантовый каскадный лазер (ККЛ). Активной областью лазера является полупроводниковая сверхрешетка GaAs/Al0.15Ga0.85As c четырьмя квантовыми ямами в каждом периоде. Для уменьшения тепловыделения и обеспечения непрерывного режима работы была значительно увеличена толщина инжекционного барьера (до 7,34 нм), что, в частности, привело к рекордно низкой пороговой плотности тока < 100 A/см2. Разработанная в ИФМ РАН совместно с коллегами из Белорусского государственного университета (г. Минск) конструкция нерезонансного двухфотонного ККЛ – в каждом периоде гетероструктуры испускаются 2 фотона разных энергий – позволила продемонстрировать широкополосную лазерную генерацию на модах резонатора Фабри-Перо в диапазоне 3,1–3,9 ТГц.
Лазер работает в непрерывном режиме вплоть до температуры 90 К, что позволяет использовать для охлаждения простые одноступенчатые криокулеры. Перестройка частоты генерации созданного лазера осуществляется с помощью температуры и рабочего тока, что открывает перспективу его использования для спектроскопических приложений и не только. Арсенид-галлиевая гетероструктура для ККЛ с рассчитанным дизайном выращивалась методом молекулярно-пучковой эпитаксии в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, постростовые технологические операции проводились в Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН и Академическом университете им. Ж.И. Алфёрова РАН.
Для создания терагерцового квантового каскадного лазера была использована «классическая» схема зонной структуры активной области с 4 квантовыми ямами GaAs/Al0.15Ga0.85As в периоде структуры (общей толщиной 10 мкм) с резонансной инжекцией электронов на верхний лазерный уровень u с уровня инжектора i и быстрым опустошением нижнего лазерного уровня l за счет резонансного туннелирования на уровень экстрактора l → e и резонансного испускания оптического фонона ħω0 e → i’ (рис. 1). Введение в структуру промежуточного уровня m позволяет использовать инверсию населенностей между уровнями u и l для испускания двух фотонов разной энергии одним электроном на переходах u → m и m → l в каждом периоде структуры (рис. 1), что обеспечивает широкую полосу усиления и генерации.
Рис. 2. Вольт-амперные (левая ось) и излучательные (правая ось) характеристики ККЛ при различных температурах. Источник: пресс-служба ИПФ РАН
На выращенной структуре формировались лазерные полоски шириной 20–30 мкм с волноводом металл-металл с резонатором Фабри–Перо на сколах. Низкая пороговая плотность тока и возможность работы в непрерывном режиме (рис. 2) обеспечиваются рекордно большой (7,34 нм) толщиной инжекционного (i → u) барьера (рис. 1).
Компактные источники ТГц излучения востребованы для различных приложений: спектроскопия, биомедицина, мониторинг окружающей среды, системы безопасности. Разработанная двухфотонная схема генерации является перспективной платформой для создания на ее основе как перестраиваемых, так и одночастотных лазеров, генераторов ультракоротких импульсов ТГц излучения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проекты № № 23-19-00436, 21-72-30020.
Авторский коллектив: Д.И. Курицын, Р.Х. Жукавин, К.А. Ковалевский, В.А. Анфертьев, В.Л. Вакс, А.В. Антонов, А.А. Дубинов, С.В. Морозов, В.И. Гавриленко (ИФМ РАН – филиал ИПФ РАН), Р.А. Хабибуллин, А.Ю. Павлов, Р.Р. Галиев, Д.С. Пономарев – ИСВЧПЭ РАН, Д.В. Ушаков, А.А. Афоненко (БГУ, Минск), А.Г. Кузьменков, Н.А. Малеев (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН), А.П. Васильев (НТЦ микроэлектроники РАН), Ф.И. Зубов, М.В. Максимов (АУ им. Ж.И. Алферова РАН), Д.А. Белов, А.В. Иконников (МГУ).
Публикация: R. A. Khabibullin, D. V. Ushakov, A. A. Afonenko, A. Yu. Pavlov, R. R. Galiev, D. S. Ponomarev, A. P. Vasilyev, A. G. Kuzmenkov, N. A. Maleev, F. I. Zubov, M. V. Maksimov, D. A. Belov, A. V. Ikonnikov, D. I. Kuritsyn, R. Kh. Zhukavin, K. A. Kovalevsky, V. A. Anfertev, V. L. Vaks, A. V. Antonov, A. A. Dubinov, S. V. Morozov, V. I. Gavrilenko. Continuous-wave two-photon terahertz quantum cascade laser. J. Appl. Phys. 136, 194504 (2024); doi: 10.1063/5.0230491.
Источник информации и фото: пресс-служба ИПФ РАН
