Физики из Массачусетского технологического института (США) сконструировали лазер на основе германия — непрямозонного полупроводника, который может излучать на длинах волн, пригодных для оптической связи.

Работа устройства при увеличении энергии импульса накачки. Как видите, пороговая энергия равна примерно 5 мкДж. (Иллюстрация из журнала Optics Letters.)

Современные лазеры, построенные на базе полупроводниковых материалов (к примеру, арсенида галлия), сложны в производстве и дороги. Германий, напротив, легко интегрируется в технологические процессы, а цена его заметно ниже.

При работе с германием приходится учитывать то, что он, как уже было отмечено, относится к непрямозонным полупроводникам (его минимумы зоны проводимости и валентной зоны разнесены в пространстве волновых векторов) и характеризуется низкой эффективностью интересующей ученых излучательной рекомбинации. В материалах такого рода в процессе рекомбинации электрона и дырки с образованием фотона должна участвовать дополнительная квазичастица (фонон), которая «берет на себя» разницу в импульсах носителей заряда, что и приводит к существенному — на несколько порядков по сравнению с прямозонными полупроводниками — увеличению времени излучательного перехода.

Для улучшения характеристик германия ученые легировали его донорной примесью (фосфором), сумев разместить в одном кубическом сантиметре вещества 10¹⁹ атомов фосфора. По расчетам, идеальная концентрация составляет 10²⁰ атомов на 1 см³, однако пока достичь такого значения не удалось.

При формировании германиевых волноводов на кремниевой подложке исследователи пользовались технологией химического осаждения из паровой фазы в условиях сверхвысокого вакуума и температуры в 650 ˚C. В процессе охлаждения до комнатной температуры кремний сжимается не так сильно, как германий, вследствие чего атомы последнего оказались разнесены на большее расстояние, чем обычно. Это позволило уменьшить разницу между энергиями прямого и непрямого переходов (см. рис. ниже) с начальных 0,136 до 0,096 эВ и еще немного повысить эффективность устройства.

Полученные в результате волноводы шириной 1,6 мкм, высотой 500 нм и длиной 4,8 мм функционировали как лазеры при воздействии на них импульсами накачки длительностью 1,5 нс, частотой следования 1 кГц и энергией до 50 мкДж. Лазер накачки работал на длине волны 1 064 нм, а максимум интенсивности выходного излучения располагался в области 1 600 нм.

Теперь, когда ученые продемонстрировали рабочий образец устройства, им необходимо заняться повышением его энергоэффективности.

Спектр излучения устройства при разных энергиях импульса накачки и схема экспериментальной установки. Справа — зонная диаграмма германия. (Иллюстрация авторов работы.)

Полная версия отчета будет опубликована в журнале Optics Letters.

Подготовлено по материалам Массачусетского технологического института.