Лазер на квантовых точках

ЛАЗЕР НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ (ЛКТ), разновидность полупроводникового лазера; гетеролазер, активная область которого представляет собой квантовые точки, то есть объекты размерами не более десятков нанометров во всех трёх пространственных измерениях.

Реализация полупроводникового лазера как прибора, который может использоваться в различных областях промышленности и техники, а не только в научном эксперименте, стала возможной после разработки Ж. И. Алфёровым с сотрудниками в конце 1960-х годов гетероструктур и введения их в лазерную физику и технологию. В 1976 Р. Дингл и Ч. Генри (США) указали на возможность улучшения характеристик полупроводниковых лазеров при использовании эффектов размерного квантования, когда размер активной области прибора становится порядка десятков нанометров. Предельный случай размерного квантования в полупроводниках - гетероструктуры с ограничением движения носителей заряда во всех трёх измерениях. Такие структуры называют квантовыми точками. С точки зрения физики твёрдого тела основное свойство квантовых точек состоит в том, что спектр электронных состояний представляет собой набор дискретных уровней, разделённых областями запрещённых состояний, и соответствует электронному спектру одиночного атома. С точки зрения технологии квантовые точки характеризуются малыми размерами. Эти особенности квантовых точек приводят к следующим основным преимуществам ЛКТ: сверхвысокая температурная стабильность рабочего тока, высокие рабочие частоты, возможность реализации сверхузкого и сверхширокого спектров лазерной генерации, возможность повышения срока службы.

Экспериментально полупроводниковый ЛКТ реализован при использовании эффектов самоорганизации в полупроводниковых наноструктурах. Квантовые точки образуются на начальном этапе эпитаксиального роста материалов, различающихся параметрами кристаллической решётки. Так были получены гетероструктуры с квантовыми точками с высоким кристаллическим совершенством, высокой однородностью по размерам (разброс менее 10%) и высокой эффективностью генерации излучения. Гетероструктура для ЛКТ (рис.) выращивается в одном процессе эпитаксии, без проведения дополнительных литографических операций для формирования квантовых точек. От обычного полупроводникового лазера ЛКТ отличается только активной областью, которая представляет собой массив квантовых точек.

Основные эксперименты на ЛКТ выполнены на системе полупроводниковых материалов GaAs-AlGaAs-InGaAs. Ведутся исследования и с использованием других материалов, в частности GaAsSb, InGaAsN, GaN-AlGaN-InGaN, а также материалов на основе соединений группы А²В⁶.

Первый инжекционный ЛКТ реализован в 1994 году. С этого времени его характеристики значительно улучшились, и к началу 21 века по некоторым свойствам ЛКТ превосходят другие полупроводниковые лазеры. Так, например, они имеют самую низкую пороговую плотность тока, работают в ранее недостижимых диапазонах длин волн излучения и режимах работы. Эти лазеры применяются в медицинской технике, системах связи, импульсной технике и др.

Лит.: Алферов Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. Вып. 1; Ustinov V. М., Zhukov A. Е., Едоrov А. Y., Maleev N. А. Quantum dot lasers. Oxf., 2003.