ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КВАНТОВОЙ МОЛЕКУЛЫ ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Российский патент 2022 года по МПК H01L33/04 B82B1/00 

Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых молекул (КМ), и может быть использовано в лазерном приборостроении при создании лазеров для лазерного спектрального анализа, диагностики, фотохимии, волоконной оптики, медицины.

Известны лазеры на красителях, активными веществами которых служат сложные органические соединения, обладающие системой сопряженных связей и интенсивными полосами поглощения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра (см., например, заявка №96111569/25, МПК H01S3/16, 1998 г.). Вынужденное излучение красителей возникает в результате переходов между различными колебательными подуровнями первого возбужденного и основного синглетных электронных состояний. Лазеры на красителях обладают значительным КПД преобразования. Их главная особенность - возможность перестройки длины волны генерируемого излучения в широком диапазоне длин волн: 330 нм - 1,8 мкм. Заменой красителей и источников накачки можно осуществить перестройку длины волны во всем спектральном диапазоне от УФ до ближнего ИК. Однако, чтобы перекрыть указанный выше диапазон, необходим набор примерно из 30 соединений.

Известны лазеры на центрах окраски - лазеры, в которых активной средой служат ионные кристаллы с центрами окраски. Центры окраски могут эффективно поглощать и испускать кванты света, т.е. являются рабочими центрами активных сред перестраиваемых лазеров. Выбором кристалла для одних и тех же центров окраски можно смещать диапазон генерируемых длин волн, перекрывая область от 0,82 мкм до 2,0 мкм. Например, перестраиваемый лазер (Гусев Ю.Л. и др. Лазер в спектральном диапазоне 0.88-1.2 мкм, Письма в ЖТФ, 1977, т.3, с.305-307) на основе кристалла фторида лития с F₂⁺ и F₂ центрами окраски (ЦО), работающий при комнатной температуре. Кристаллы LiF обладают хорошими теплофизическими свойствами, F₂ ЦО в них стабильно работают при комнатной и более высоких температурах, они не разрушаются под действием мощного лазерного излучения, имеют широкую полосу поглощения от 0,85 до 1,1 мкм с высоким сечением абсорбционного перехода. Полоса люминесценции F₂ ЦО простирается от 1,0 до 1,3 мкм. Лазерную генерацию на F₂ ЦО авторы получили, используя поперечную схему накачки путем передачи энергии от возбужденных F₂⁺ ЦО. Перестройка осуществлялась от 0,88 до 1,0 мкм на F₂⁺ ЦО и от 1,1 до 1,2 мкм на F₂ ЦО. Эффективность преобразования излучения накачки в перестраиваемое излучение была низкой и составила около 0,5% от падающей энергии лазера накачки. К числу недостатков данного лазера относится низкий КПД преобразования излучения накачки в перестраиваемое излучение и узкая область перестройки.

Известны лазеры на свободных электронах - генераторы электромагнитных колебаний, в которых активной средой является поток электронов, колеблющихся под действием внешнего электрического и (или) магнитного поля и перемещающихся с релятивистской поступательной скоростью в направлении распространения излучаемой волны (например, патент №21843, H01S 3/08, 2002 г.). Благодаря эффекту Доплера частота излучения электронов в рассматриваемых лазерах во много раз превышает частоту их колебаний. Достоинством лазера на свободных электронах является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации путем изменения скорости поступательного движения электронов. Недостаток лазера: высокие экспериментальные затраты (особенно на источник релятивистских электронов).

В большинстве рассматриваемых аналогов перестройка длины волны генерации осуществляется за счет модификации активной среды лазера, что сопряжено со значительными техническими трудностями и отсутствует возможность для преобразования ИК-диапазона в диапазон видимого света.

Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных квантовых точек (КТ) соединений А₃В₅, достаточно однородных по размеру и форме при большой поверхностной плотности, привел к созданию полупроводниковых лазеров с КТ в качестве активной среды. В результате спектральная область 1,0-1,7 мкм стала доступной для генерации как для лазеров традиционной конструкции, так и для лазеров с вертикальным резонатором, использующих квантовые точки InGaAs и подложки GaAs. В частности, оба типа лазеров могут генерировать излучение с длиной волны 1,3 мкм с чрезвычайно низкими пороговыми токами и высокой выходной мощностью (патент RU №2205468, МПК H01L 21/20, 2003).

Известен лазер (преобразователь), в котором перестройка длины волны генерации осуществляется способом, основанным на неоднородном уширении электронных переходов в массиве нетождественных КТ (базовый элемент). (P.M.Varangis, H.Li. G.T.Liu, et al.: Electron. Lett, v.36, P.123 (2000)). При некотором увеличении пороговых токов она может достигать 200 нм (от 1,033 мкм до 1,234 мкм). Однако в рассматриваемом прототипе отсутствует возможность для преобразования ИК-диапазона в диапазон видимого света.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому преобразователь на основе КМ (базовый элемент), в котором перестройка длины волны осуществляется за счет цепочки последовательных электронных переходов. Сначала осуществляется двухфотонный переход электрона из D^--состояния в размерно-квантованные состояния КТ с дискретным спектром. Затем электрон туннелирует в КТ с квазинепрерывным спектром, где за счет электрон-фононного взаимодействия происходит безызлучательный переход в основное состояние КТ, откуда происходит излучательный переход на А⁺-центр (заявка №2009143081/28, МПК H01L 33/00 (2010.01) В82В 1/00 (2006.01), 2009 г.).

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача получения возможности перестройки длины волны лазерной генерации из ИК-диапазона в диапазон видимого света.

Технический результат достигается тем, что преобразователь содержит базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных КТ - КМ, находящуюся во внешнем электрическом поле и легированную D^- (отрицательно заряженные доноры) и A⁺-центрами (положительно заряженные акцепторы), с КТ на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм и амплитудами потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм (ИК-диапазоне).

На фиг.1 изображена фейнмановская диаграмма рассматриваемого процесса, где

двухфотонный переход электрона из D^--состояния в размерно-квантованные состояния КТ (а) с дискретным спектром;

туннельный переход электрона из КТ (а) с дискретным спектром в КТ (b) с квазинепрерывным спектром;

безызлучательный переход в КТ (b) за счет взаимодействия с фононной модой;

излучательный переход электрона из основного состояния КТ (b) на А⁺-центр.

На фиг.2 и 3 приведены энергетические схемы квантовой молекулы, в которой осуществляется широкодиапазонная перестройка частоты генерации ω, где D^-- отрицательно заряженный донор; А⁺- положительно заряженный акцептор. В отсутствие электрического поля (фиг. 2), исходный двухъямный потенциал КМ асимметричен, но при некотором значении напряженности электрического поля происходит выравнивание потенциала КМ (фиг 3), что приводит к увеличению туннельной прозрачности потенциального барьера между КТ.

Как видно из диаграммы Фейнмана (фиг.1), поглощение первого фотона сопровождается переходом электрона в виртуальное состояние с последующим поглощением второго фотона, в результате которого электрон совершает оптический переход в размерно-квантовое состояние КТ (а). Далее, за счет туннельной прозрачности потенциального барьера электрон туннелирует в КТ.

КМ могут выращиваться в стеклянной матрице по технологии, описанной в статье С.В. Гапоненко «Оптические процессы в полупроводниковых нанокристаллитах (квантовых точках)» // Физика и техника полупроводников. - 1996. - т.30. - №4. - с.577- 619. Это широко распространенная технология, которая заключается в приготовлении неорганического стекла, окрашенного кристаллитами соединений А₃В₅. Этот способ тесно связан с промышленной технологией получения отрезающих и фотохромных светофильтров. Основным его преимуществом является возможность получения стабильных твердотельных квазинульмерных структур, а также доступность коммерческих образцов цветного и фотохромного стекла для широкого исследования. Поскольку в данной технологии расстояние между КТ является случайной величиной, то вероятность образования КМ достаточно велика.

В предлагаемом преобразователе перестройка длины волны генерации осуществляется по следующей схеме (фиг.3): в КТ (а) происходит процесс двухфотонной накачки за счет фотоионизации D^--центра с энергией фотона , где - энергия связи D^--состояния, отсчитываемая от дна КТ (а); E₀ - энергия основного состояния КТ (а). Далее, поскольку правила отбора при двухфотонных переходах отличны от правил отбора в случае однофотонных переходов, происходит процесс туннелирования фотовозбужденного электрона в КТ(b) . При определенном значении напряженности электрического поля, изначально асимметричный двухъямный потенциал КМ, становится симметричным и вероятность туннелирования резко возрастает см., например (Кревчик В.Д. Влияние диэлектрической матрицы на туннельные вольт-амперные характеристики в квантовых точках в условиях внешнего электрического поля / В.Д. Кревчик, М.Б.Семенов, Р.В. Зайцев, С.Е.Козенко, М.А.Манухина // Известия вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2012. – № 2. – С.119-135). Оценки показывают, что для радиусов КТ 20 и 200 нм величина напряженности электрического поля, необходимая для выравнивания асимметричного двухъямного потенциала ~2,5×10⁶ В/м. В КТ (b) электрон «сбрасывает» свою энергию кристаллической решетке и оказывается вблизи дна КТ (b) , имеющей квазинепрерывный спектр. Т.к. КТ (б) легирована А⁺-центром, то следующим процессом является излучательный переход электрона на А⁺-центр . Оценка длины волны излучаемого фотона λ₁ (ширина запрещенной зоны GaAs эВ при 300 K) дает мкм (диапазон видимого света).

Таким образом, преобразователь на основе квантовой молекулы с характерным размером 220 нм позволяет осуществлять перестройку длины волны генерации из ИК-диапазона в диапазон видимого света. При этом интенсивность рекомбинационного излучения может быть существенно увеличена за счет резонансного туннелирования при соответствующей напряженности электрического поля.

Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых молекул. Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы в электрическом поле, содержащий базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных квантовых точек - квантовую молекулу, легированную D^–– и A⁺–центрами, с квантовыми точками на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм, с амплитудой потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм, отличающийся тем, что квантовая молекула находится во внешнем электрическом поле ~2,5×10⁶ В/м, посредством которого осуществляется управление интенсивностью лазерного излучения в диапазоне видимого света. Технический результат – возможность перестройки длины волны лазерной генерации из инфракрасного диапазона в диапазон видимого света. 3 ил.

Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы в электрическом поле, содержащий базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных квантовых точек - квантовую молекулу легированную D^–– и A⁺–центрами, с квантовыми точками на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм, с амплитудой потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм, отличающийся тем, что квантовая молекула находится во внешнем электрическом поле ~2,5×10⁶ В/м, посредством которого осуществляется управление интенсивностью лазерного излучения в диапазоне видимого света.