В настоящее время для многих приложений, например газоанализа (анализа выдыхаемого воздуха для медицинской диагностики, мониторинга окружающей среды, обнаружения взрывчатых веществ), требуются источники когерентного излучения в различных участках инфракрасного (ИК) диапазона. Особенно важными являются так называемые «сверхдлинноволновый» диапазон, т.е. область длин волн 15 – 30 мкм, и терагерцовый (ТГц) диапазон, примыкающий к сверхдлинноволновому с низкочастотной стороны. В этих областях спектра, которые часто называют областью «отпечатков пальцев», большое количество соединений обладают уникальным набором линий поглощения, что позволяет однозначно их идентифицировать.
В среднем ИК диапазоне лидирующее место среди полупроводниковых лазеров занимают униполярные квантовые каскадные лазеры (ККЛ), но их продвижение в диапазон длин волн больше 20 мкм наталкивается на фундаментальные ограничения из-за фононного поглощения в арсениде галлия и фосфиде индия (GaAs и InP), традиционно используемых в ККЛ, в этом диапазоне. Очевидно, что для решения этой проблемы следует использовать материалы с более низкими или более высокими частотами оптических фононов, однако изготовление ККЛ требует совершенных технологий роста, которые пока доступны лишь для некоторых полупроводников группы А3В5.
Одним из путей решения данной проблемы является использование не ККЛ, а межзонных лазеров на основе альтернативных материалов, таких как халькогениды PbSnSe(Te) или графен. Важнейшим фактором, определяющим возможность достижения инверсии населенностей в данных материалах является предполагаемое подавление безызлучательной оже-рекомбинации за счет особенностей энергетического спектра носителей. Так, линейный спектр носителей, реализуемый в графене, является предельным случаем релятивистского закона дисперсии, для которого выполнить законы сохранения энергии и импульса для трех частиц, участвующих в оже-процессе невозможно, в силу чего оже-рекомбинация оказывается полностью запрещена. Именно это обстоятельство было отправной точкой для разработки ТГц лазеров на основе графена. Тем не менее, дальнейшие экспериментальные исследования показали, что оже-рекомбинация в графене достаточно эффективна, что вскоре получило и теоретическое обоснование. Из-за "безмассовости" носителей в графене многочастичные эффекты, такие как электрон-электронные столкновения, играют важную роль при описании оже-рекомбинации и существенно увеличивают её темп.
Одним из способов подавления данного эффекта является модификация зонного спектра, при которой закон дисперсии остается близким к дираковскому, а в окрестности экстремумов зон возникает ненулевая энергетическая щель. Подобного закона дисперсии можно добиться в частности в гетероструктурах c квантовыми ямами (КЯ) на основе теллуридов кадмия и ртути HgTe/CdHgTe. В отличие от объемного твердого раствора кадмий-ртуть-теллур HgCdTe, при некоторой критической толщине КЯ из теллурида ртути (равной приблизительно 6.3 нм для «нулевой» температуры) спектр носителей в данной системе становится «графеноподобным» (рис. 1). При этом изменением толщины КЯ можно варьировать ширину запрещенной зоны, а тонкую подстройку энергетической щели осуществлять перестройкой температуры. Технология роста для HgCdTe структур к настоящему времени хорошо отработана (по сравнению, например, с халькогенидами свинца) благодаря тому, что HgCdTe является основным материалом для высокочувствительных охлаждаемых фотоприемников и матриц среднего ИК диапазона. По сравнению с графеном, узкозонные структуры с КЯ на основе HgTe/CdHgTe представляются более гибкой и «технологически развитой» системой.
В ИФМ РАН было получено стимулированное излучение (СИ) из таких структур вплоть до длин волн 20 мкм (рис. 2) [1], что в 4 раза улучшает результаты работ, выполненных другими группами. Исследуемые структуры были выращены в ИФП СО РАН (Новосибирск), где разработана специальная методика эпитаксиального роста структур на основе HgCdTe с эллипсометрическим контролем толщины и состава слоев структуры. Порог возникновения СИ при температуре 20 К в пересчете для токовой накачки (для структуры с p-n-переходом) лежит в диапазоне 12-600 А/см2, что означает возможность создания инжекционных лазеров, работающих в непрерывном режиме. Времена жизни неравновесных носителей в КЯ с шириной запрещенной зоны 25 мэВ [2], измеренные методом накачка-зондирование с использованием терагерцового лазера на свободных электронах, показали, что возможно дальнейшее «продвижение» СИ до длин волн порядка 30 мкм (где еще отсутствует двухфононное решеточное поглощение в HgCdTe), а в локальных минимумах двухфононного поглощения - до области остаточных лучей (λ ~ 60 мкм) с реалистичными значениями интенсивности накачки: не более 12 кВт/см2. Было также показано, что модификацией энергетического спектра носителей в валентной зоне за счет введения цинка в барьерные слои структуры можно добиться увеличения рабочей температуры значительно выше температуры жидкого азота, в отличие от лазеров на основе халькогенидов свинца и олова.
Таким образом, исследования, проведенные в ИФМ РАН (Нижний Новгород) при сотрудничестве с ИФП СО РАН (Новосибирск), позволили получить в гетероструктурах с КЯ HgTe/CdHgTe стимулированное излучение на рекордно большой для этой системы длине волны 20 мкм, и продемонстрировать возможность создания лазеров, работающих в «запрещенном» для квантовых каскадных лазеров диапазоне длин волн 25-60 мкм.
Владимир Румянцев, научный сотрудник ИФМ РАН
Рис. 1 Схематичное изображение энергетических спектров носителей в объемном HgCdTe (слева) и квантовой яме на основе HgTe/CdHgTe (справа). Симметричность законов дисперсии носителей в квантовой яме позволяет подавить безызлучательную оже-рекомбинацию и добиться генерации длинноволнового излучения.
Рис. 2 Спектры стимулированного излучения в волноводных образцах с КЯ HgTe/CdHgTe при Т = 20 К. В подписи указаны пороговые интенсивности оптической накачки.
[1] S. V. Morozov, V. V. Rumyantsev, M. A. Fadeev, M. S. Zholudev, K. E. Kudryavtsev, A. V. Antonov, A. M. Kadykov, A. A. Dubinov, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretsky, and V. I. Gavrilenko, "Stimulated emission from HgCdTe quantum well heterostructures at wavelengths up to 19.5 μm," Applied Physics Letters 111, 192101 (2017).
[2] S. Ruffenach, A. Kadykov, V. V. Rumyantsev, J. Torres, D. Coquillat, D. But, S. S. Krishtopenko, C. Consejo, W. Knap, S. Winnerl, M. Helm, M. A. Fadeev, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, V. I. Gavrilenko, S. V. Morozov, and F. Teppe, "HgCdTe-based heterostructures for terahertz photonics," APL Materials 5, 035503 (2017).
