Ученые определили, что повысить мощность полупроводниковых лазеров можно с помощью барьерных слоев, препятствующих «утечке» электронов из активной зоны лазера, в которой генерируется излучение. Такие слои не дают заряженным частицам на больших скоростях пролетать мимо активной зоны, в результате чего последние накапливаются там и создают более мощный световой импульс. Предложенный авторами подход позволит заметно увеличить эффективность существующих лазеров, применяемых для передачи информации, а также в устройствах для измерения дальности.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Luminescence.

Полупроводниковые лазеры, излучающие свет с длиной волны около 1550 нанометров (в инфракрасном диапазоне), используются для передачи информации на большие расстояния: десятки, сотни и тысячи километров, а также в автомобильных ЛИДАРах — устройствах для измерения дальности и получения 3D-изображений окружающего пространства. Такие лазеры создают из многослойных кристаллических материалов — гетероструктур — на основе твердых растворов из алюминия, галлия, индия и мышьяка, поскольку они способны излучать свет в требуемой области инфракрасного диапазона.

Эти гетероструктуры устроены таким образом, что при подаче напряжения через них в противоположные стороны начинают двигаться частицы-носители электрического заряда. Условно, справа налево перемещаются отрицательно заряженные электроны, а в обратном направлении — положительно заряженные квазичастицы, называемые «дырками». При этом примерно на середине их пути расположена активная область — место, попадая в которое, электроны и «дырки» объединяются — рекомбинируют, что приводит к испусканию излишков энергии после их взаимодействия в виде света.

Чтобы создать максимально мощный лазер, нужно сделать так, чтобы все электроны и «дырки» попадали в активную область и оставались там. Однако на практике некоторые частицы «пролетают» мимо этой зоны — этот процесс называется утечкой носителей заряда.

Специалисты из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и Научно-исследовательского института «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха (Москва) создали гетероструктуры на основе твердых растворов алюминия, галлия, индия и мышьяка, в разных частях которых разместили барьерные слои из тройного соединения алюминия-индия-мышьяка. Через такие барьеры частицам оказывается сложно пройти из-за недостатка энергии, и в результате вероятность захвата частиц в активную область приближается к 100%, а частиц, утекающих мимо активной зоны, практически не наблюдается.

Авторы формировали гетероструктуры в специализированной установке, где из молекул высокочистых соединений на подложку последовательно осаждались монокристаллические слои заданного состава.