«Совместные усилия двух групп позволят создать и развивать научную школу III-N микролазеров в России и Беларуси» – Новости – Schola – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Schola продолжает знакомить вас с победителями первого конкурса совместных фундаментальных проектов «Международное академическое сотрудничество». В сегодняшнем номере Наталья Крыжановская, заведующий Международной лабораторией квантовой оптоэлектроники Санкт-Петербургской школы физико-математических и компьютерных наук НИУ ВШЭ, рассказывает об актуальности и задачах проекта «Проектирование, синтез и исследование гетероструктур на основе широкозонных III-N материалов и микролазеров на основе высокодобротных резонаторов», партнерстве с коллегами Центра «Широкозонная нано- и микроэлектроника» Института физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, перспективах и ожидаемых результатах.

Крыжановская Наталья Владимировна

— Как возникла идея проекта? В чем его актуальность?

— В основе проекта лежит идея использования материалов, синтезируемых из азота (N) и элементов III группы таблицы Менделеева: галлия (Ga), алюминия (Al), индия (In), — для создания фотонных компонент, обладающих уникальным набором функциональных характеристик, пригодных для интегральных фотонных схем. Такие полупроводники в последние десятилетия очень активно исследовались в создании высокоэффективных источников белого света — светодиодных лампочек. Сейчас нитридные светодиоды уже хорошо освоены промышленностью, а исследования сместились в область электроники, ультрафиолетовых светодиодов и лазеров. Синтез III-N материалов реализуется с помощью современных эпитаксиальных технологий, которые позволяют создавать с высокой точностью слои требуемого состава и толщины на различных подложках (кремний, сапфир). В электронике интегральные схемы, чипы, известны достаточно давно, а вот фотонные интегральные схемы только разрабатываются. И сейчас еще точно неизвестно, какой они будут обладать конструкцией и какие материалы лучше всего для этих целей подходят. Для схем интегральной фотоники нужны лазеры, которые могут генерировать излучение (свет), а также устройства для фокусировки, деления, совмещения, поляризации, модуляции, детектирования света и т.д. Данный проект нацелен на создание миниатюрных, размером от единиц до нескольких десятков микрометров (микрометр = 10^-6 метра), III-N источников когерентного излучения, т.е. лазерных источников, выполненных с использованием резонаторов дисковой или кольцевой формы (микродисковые лазеры). Помимо малой площади микродисковые лазеры обладают такими преимуществами, как: малое энергопотребление и высокая скорость модуляции излучения, которое может быть использовано для передачи информации с помощью света. Кроме того, III-N микродисковые лазеры могут быть созданы на кремнии — основном материале современной электроники, что открывает широкие перспективы для развития материальной базы информационных технологий.

Уникальность разрабатываемых III-N микродисковых лазеров связана также с удивительным сочетанием физических свойств III-N материалов (AlN, GaN, InN и их соединений), гарантирующим их востребованность в современной оптоэлектронике. Среди этих свойств — способность к излучению света в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, высокая теплопроводность и механическая прочность, замечательная химическая и термическая стабильность и т.д. В мире III-N микродисковые лазеры вызывают большой исследовательский интерес и широко разрабатываются как источники направленного ультрафиолетового и видимого света, способные работать при высоких температурах и в экстремальных условиях. Они могут быть использованы для передачи информации, раннего детектирования химических веществ, в биосенсорах и т.п.

Прикладная значимость результатов проекта заключается в создании суперкомпактных источников лазерного излучения видимого диапазона, пригодных для приложений биохимического обнаружения и оптических межсоединений. Такие источники лазерного излучения могут быть размещены в современных компактных электронных и роботехнических системах. Лазеры на основе III-N материалов обладают высокой химической стойкостью и механической стабильностью, что делает их привлекательными для применений в агрессивных средах, при механических нагрузках и в условиях жесткого электромагнитного излучения.

— Каковы ключевые задачи проекта?

В проекте заявлен широкий спектр задач, которые должны решаться по нескольким направлениям.

Первый блок сложнейших задач связан с синтезом III-N структур на различных подложках: на сапфире, на кремнии. Поставлена и более амбициозная задача по эпитаксиальному формированию III-N микролазеров на предустановленном месте на подожке, с помощью так называемого метода селективной эпитаксии. Такой метод включает себя набор высокотехнологичных операций, в результате которых возможно создание источников лазерного излучения размером единицы микрометров с точностью позиционирования на подложке в доли микрон и с высокой плотностью размещения.

Второй блок задач связан с разработкой технологии создания III-N микролазеров, которая позволит получить рекордные параметры лазерной генерации. Изготовленные микролазеры будут всесторонне исследованы для получения различных фундаментальных физических закономерностей в области физики твердого тела, физики микролазеров, взаимодействия света с веществом. Работы проекта носят итеративный характер, при котором анализ результатов предыдущего этапа учитывается на следующем этапе синтеза и технологии создания лазеров.

— Как развивалось сотрудничество вышкинской лаборатории с белорусским Институтом физики?

Партнером Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники (МЛКО) НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург является коллектив Центра «Широкозонная нано- и микроэлектроника» Института физики имени Б.И. Степанова Национальной Академии наук Беларуси. Это один из крупнейших, если не самый крупный, исследовательский центр Беларуси в области полупроводниковых материалов и проборов на их основе. Институт имеет давние связи с российскими научными организациями, в том числе с Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН. Сотрудничество наших научных коллективов стало возможным благодаря личному знакомству и научным связям Алексея Евгеньевича Жукова, научного руководителя МЛКО, с директором института имени Степанова, академиком Сергеем Васильевичем Гапоненко. Сергей Васильевич крупный специалист в области оптики, спектроскопии, нанокристаллов, автор известной монографии «Введение в нанофотонику». Наши команды начали тесно сотрудничать практически сразу после образования МЛКО. В 2021–23 годах они участвовали в реализации совместного проекта, поддержанного РФФИ и Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (БРФФИ), в рамках которого мы исследовали возможности контроля за направленностью выходящего излучения микролазеров. В результате этого проекта появилась взаимная заинтересованность в дальнейшем сотрудничестве с привлечением полного арсенала исследовательских мощностей и наработок обеих рабочих групп.

В новом проекте компетенции обеих групп дополняют друг друга. Коллектив Центра «Широкозонная нано- и микроэлектроника» обладает необходимым оборудованием и навыками для создания эпитаксиальных III-N структур для микролазеров. Коллектив МЛКО является лидером в области создания микролазеров с рекордными характеристиками. В нашем распоряжении современное оборудование и уникальная научная установка «Комплексный оптоэлектронный стенд».

— Какие перспективы у этого партнерства?

Мы ожидаем, что совместные усилия двух групп в рамках нового проекта позволят создать и развивать научную школу III-N микролазеров в России и Беларуси, с привлечением к исследовательскому процессу студентов и аспирантов. Кроме того, будет сформирована основа для расширения сотрудничества по III-N тематикам.

Нынешний проект позволит расширить спектр научных исследований обеих команд: для нашей лаборатории станут возможны создание и исследования микролазеров на основе новой системы материалов (III-N), обладающей уникальными характеристиками. До этого проекта наши исследования были ориентированы на микролазеры на основе другой системы материалов (арсенида галлия, GaAs), излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне, который иногда называется телекоммуникационным диапазоном. Для коллектива белорусского Института физики традиционным является исследование эпитаксии и фундаментальных свойств III-N материалов, СВЧ-приборов и приборов оптоэлектроники; задачи по исследованию микролазеров открывают новый этап развития.

Мы ожидаем, что работа над проектом обогатит исследовательский опыт коллективов за счет взаимодополняющей функции проекта, а также позволит расширить область научного исследования обоих коллективов, обрести новые навыки, повысить международную конкурентоспособность коллективов и упрочить наши научные связи.

С 14 по 17 мая, в питерской Вышке прошла Школа-конференция с международным участием по оптоэлектронике, фотонике и наноструктурам Saint Petersburg OPEN, в которой приняли участие около 300 молодых ученых. В рамках конференции с приглашенным докладом по теме нитридных технологий выступил Евгений Викторович Луценко, руководитель белорусского коллектива. Состоялся круглый стол «Проектирование, изготовление и исследование широкозонных гетероструктур III-N и высококачественных резонаторных микролазеров». В конце мая в Минске прошла организованная белорусским Институтом международная конференция «Лазеры, полупроводниковые излучатели и системы на их основе» с участием сотрудников МЛКО.

Запланированы новые взаимные визиты, совместные публикации и представление результатов исследований на научных конференциях, поиск новых проектов, расширяющих область нашего сотрудничества.

27 июня