Новости

20 Июля, 2020 13:26

Квантовое многоточие. Творцы микролазеров в ожидании больших результатов

На недавней конференции в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого, посвященной 90-летию со дня рождения нобелевского лауреата Жореса Алфёрова, было несколько ярких выступлений. Тон задавали, естественно, физики. Член-корреспондент РАН Алексей Жуков увлекательно рассказывал о квантовых точках – полупроводниковых нанокристаллах с заданными свойствами, которыми можно управлять. Например, меняя их форму и размеры, регулировать длину волны света, который они излучают.
Источник: Юрий Белинский/Поиск
Участник проекта Юлия Полубавкина. Источник: Юрий Белинский/Поиск
3 / 4
Источник: Юрий Белинский/Поиск
Участник проекта Юлия Полубавкина. Источник: Юрий Белинский/Поиск

Каждая точка непроста, в ней могут находиться электроны и дырки – их положительно заряженные антиподы. При встрече эти носители заряда порождают свет – вот вам и микролазер. Одна из главных его характеристик – пороговый ток, предвестник лазерной генерации, чем он меньше, тем лучше. Чтобы генерация началась, квантовых точек много не надо, так что и пороговый ток сравнительно невелик. Кроме того, в силу компактности наноразмерных точек носители заряда самодостаточны, независимы от дефектов близлежащей поверхности – тоже плюс для характеристики лазера.

Главное – научиться эти точки, по сути, искусственные атомы, создавать. Ж.Алфёров любил повторять слова другого нобелевского лауреата Лео Эсаки о том, что в отличие от кристаллов, созданных Богом, это рукотворные кристаллы. А.Жуков привел удивительный факт: в 2000 году Ж.Алфёров примерно треть своей нобелевской лекции посвятил структурам с квантовыми точками (хотя премию получил за исследование классических гетероструктур), в частности, включил в нее свои самые свежие на тот момент работы по вертикально излучающим лазерам с активной областью на квантовых точках.

А.Жуков – ученик Ж.Алфёрова и продолжатель его исследований, выпускник основанной им базовой кафедры оптоэлектроники в Электротехническом университете «ЛЭТИ». А.Жуков работал в его лаборатории сначала в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН, где с помощью высокоточной молекулярно-пучковой эпитаксии были выращены первые в России структуры с квантовыми точками. В стенах Физтеха А.Жуков подготовил и защитил докторскую диссертацию по инжекционным лазерам на основе самоорганизующихся квантовых точек. Сотрудничество с Ж.Алфёровым он продолжил в Санкт-Петербургском Академическом университете РАН, развивая методы создания полупроводниковых квантовых точек разной конфигурации и электронных приборов на их основе, в том числе микролазеров для нового поколения оптической связи.

Ныне А.Жуков подтверждает прогноз Ж.Алфёрова, еще в 1998 году писавшего, что структуры с квантовыми точками «пока еще очень молоды: на этом пути нас ожидают захватывающие открытия и новые неожиданные применения». Возглавляемый им коллектив занялся одним из таких применений и успешно поучаствовал в конкурсе Президентской программы Российского научного фонда «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации». Наградой стал грант на реализацию проекта «Оптоэлектронные приборы на основе наноструктур А3В5 различной размерности на кремнии». Вскоре после упомянутой конференции он ответил на вопросы «Поиска» о еще одной сфере, где востребованы квантовые точки.

– Ваш учитель предсказывал, что «структуры с квантовыми точками будут разработаны как вширь, так и вглубь». Получается, вы двигаетесь вширь, к кремнию?

– Не только вширь, но и вглубь. Мы уже около 10 лет занимаемся микролазерами с квантовыми точками. Ожидается, что их можно будет использовать как излучатели света в электронных платах и микросхемах, там, где большие лазерные источники просто физически не поместятся. При этом уже сегодня они способны работать при температурах более 100 градусов по Цельсию, что очень важно, поскольку электронные схемы, как известно, нагреваются. Теперь в рамках проекта, выполняемого по гранту РНФ, мы сосредоточили исследования на лазерных излучателях и других оптоэлектронных приборах, которые могли бы сочетаться с кремнием.

Интеграция оптических возможностей гетероструктур с кремниевой микроэлектроникой позволит заметно увеличить скорость передачи и обработки информации.

Чем хорош кремний как полупроводниковый материал? Он дешев, прочен, производится в массовом количестве. Прецизионные методы его обработки позволяют создавать транзисторы с каналом длиной всего в единицы нанометров. Но высокие скорости их работы должны подкрепляться быстродействием связи между транзисторами и интегральными схемами. Обеспечить быструю передачу данных может оптическая связь.

Фотоны света при распространении не вызывают нагрева, сопровождающего протекание тока. Поток фотонов можно модулировать, т. е. прерывать с очень высокими скоростями и тем самым передавать большие объемы данных. К огорчению физиков, кремний не способен генерировать свет. Возможный выход – попробовать сочетать с кремнием излучающие свет полупроводниковые материалы группы А3В5, например, арсенид индия или арсенид галлия. Этим мы и занимаемся в рамках проекта.

– Ранее уже предпринимались попытки «поженить» полупроводниковые гетероструктуры с кремнием?

– Мы на этом пути не первые и прекрасно знали, что нас ждут три главные проблемы. Первая – это различие полярности атомарного кремния и соединений А3В5, состоящих из двух атомов: в процессе роста кристаллической структуры образуются дефекты, которые портят ее свойства. Вторая – различие размеров кристаллической ячейки кремния и того же арсенида галлия, что также ведет к образованию дефектов. С ними научились бороться, но качество слоев А3В5, выращенных на кремнии, все равно хуже, чем в случае роста А3В5 на родной подложке.

И тут помогает наличие в лазере квантовых точек, не чувствительных к дефектности структуры. Наконец, третья проблема – различие коэффициентов теплового расширения ведет к тому, что лазерная гетероструктура, выращенная на кремнии, буквально растрескивается. Решить ее помогут микролазеры, поскольку у них маленькая площадь контакта с подложкой. Как видите, микролазеры на основе квантовых точек словно созданы для сочетания с кремнием.

Научных групп, ведущих фундаментальные и прикладные исследования микролазеров, в мире довольно много. Групп, работающих с А3В5 на кремнии, гораздо меньше, но тоже достаточно. А вот тех, кто занимается и микролазерами, и гетероструктурами на кремнии, – считаные единицы. Это и наша лаборатория, и сильный коллектив из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре – в чем-то немного впереди они, в чем-то – мы. Иными словами, мы оказались на перекрестке двух горячих направлений, и грант РНФ пришел очень вовремя.

Сейчас, на втором году реализации проекта, мы можем говорить о реальных достижениях. Впервые в мире мы показали возможность высокоскоростной передачи информации с помощью неохлаждаемого микродискового лазера с квантовыми точками. Продемонстрировали микролазер на кремнии, обладающий рекордно низкой пороговой плотностью тока. Также начали развивать гибридную интеграцию – это когда квантовые точки микролазеров не выращиваются на подложке кремния, а переносятся на нее извне.

Кроме того, нам удалось использовать в качестве активной области микролазеров так называемые гетероструктуры смешанной размерности: они чем-то похожи на массивы квантовых точек, а некоторыми свойствами напоминают тонкие полупроводниковые слои (квантовые ямы). Разве все это не движение вглубь?

– Условием получения гранта было софинансирование со стороны индустриального партнера. Между тем фундаментальные исследования – всегда риск. Как вам удалось найти партнера-единомышленника и убедить его, что риск оправдан?

– Одним из наших индустриальных партнеров стал НИИ молекулярной электроники АО «НИИМЭ» (Зеленоград), что и закономерно, ведь это головное предприятие в области кремниевой электроники. Несколько лет назад мы уже выполняли исследования по заказу НИИМЭ, что продвинуло нас в понимании особенностей выпуска кремниевых приборов.

А понимание дало нам толчок к развитию той самой гибридной интеграции, с помощью которой проще объединить процессы обработки кремния и А3В5.

Фонд, между прочим, тоже рискует. Поэтому каждый год, изучив научный отчет коллектива о проделанной работе, решает, продлевать ли финансирование. Причем софинансирование растет год от года, а доля, предоставляемая фондом, уменьшается. Есть и скрупулезная финансовая проверка, мы только что успешно прошли ее за 2019 год. В принципе, предусмотрена возможность расширения числа партнеров, и мы ею воспользовались: привлекли в 2020 году к проекту еще две компании из Санкт-Петербурга. Одна занимается производством оборудования для роста и обработки полупроводников, другая – разработкой оптических компонент.

Замечу, что по меркам более прикладных проектов, чем наш, софинансирование не столь велико, тем не менее в практике фонда, насколько я понимаю, это едва ли не первый случай, когда оно требуется для фундаментальных исследований.

– Похоже, требование себя оправдало, поскольку вы нашли даже не одного партнера. Вообще какую роль сыграл РНФ в жизни вашего коллектива?

– Без грантов РНФ трудно представить себе нашу работу на стыке теории и практики. Мое знакомство с Фондом началось в 2014 году с момента объявления им первых конкурсов. Мне посчастливилось возглавить международный проект, выполняемый учеными из России, США, Германии, Дании и Финляндии. Мы и сейчас поддерживаем с ними полезные контакты.

Например, эксперименты по оптической передаче данных с помощью микролазеров, о которых я говорил, проводились в Берлине, оборудование для этого безвозмездно предоставили немецкие коллеги, а командировка участника нашего коллектива в Германию была оплачена из средств проекта. Нынешний четырехлетний проект – особенный. Предыдущие гранты РНФ, которые получала моя лаборатория, были гораздо меньше и по деньгам, и по масштабу решаемых задач, и по численности исполнителей. Обычный размер грантов Фонда составляет 6 миллионов рублей в год, этот – впятеро крупнее. В любом случае на ближайшие годы мы получили достойную поддержку для продолжения исследований.

– Еще одно условие получения гранта: доля членов научного коллектива в возрасте до 39 лет, непосредственно занятых выполнением исследований, должна составлять не менее 40% в течение всего периода реализации проекта. У вас были сложности с его выполнением?

– Никаких! Изначально из 27 участников коллектива 21 человек, т. е. почти 78%, был моложе 39 лет. В основном это аспиранты или бывшие аспиранты Академического университета, которые уже имели опыт участия в различных научных проектах, в том числе поддержанных Фондом, росли на них. К примеру, Юлия Полубавкина закончила аспирантуру и плавно перешла на работу в университетскую лабораторию нанофотоники.

Другой мой ученик – Эдуард Моисеев – выпускник магистратуры и аспирантуры университета, у нас более сотни публикаций в соавторстве. Сейчас его основное место работы – Высшая школа экономики в Санкт-Петербурге, где мы вместе создаем новую лабораторию квантовой оптоэлектроники. При этом я продолжаю возглавлять в Академическом университете проект Фонда и надеюсь довести его до успешного завершения.

– Грант выделяется на период с 2019-го по 2022 годы – с возможным продлением проекта еще на три года. При этом приоритетную поддержку получают проекты, увенчавшие финиш грантового цикла созданием новой или усовершенствованием производимой продукции и применяемых технологий. Заглядывая на три года вперед, готовы ли вы будете представить новые образцы изделий и технологий?

– Разумеется, у нас есть четкий план на каждый год. Когда речь идет о научном поиске, предсказать, какое именно научно-технологическое решение «выстрелит» к концу проекта, сложновато, но попробую. В конце 2022 года мы постараемся продемонстрировать оптическую передачу с использованием относительно простой в изготовлении, работающей при повышенных температурах интегральной микрооптопары в составе микролазера и микрофотоприемника.

Это позволит рассчитывать на применение оптической связи для передачи данных не только между континентами и городами, но и на сверхмалые расстояния, например, между транзисторными платами или даже между интегральными схемами. То есть в полном соответствии с назначением гранта приблизимся к решению конкретных задач в рамках одного из направлений Стратегии научно-технологического развития РФ, а именно «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта».

Ну, а в дальнейшем предстоит заняться улучшением характеристик таких систем передачи и обработки информации (увеличением скорости, снижением энергопотребления и т. д.) и их функциональным усложнением. Речь идет о включении в их состав большего числа микроприборов и таких элементов, как оптические волноводы и разветвители, устройства подстройки и стабилизации длины волны, спектральные фильтры, возможно, модуляторы. Это в полном смысле разработка вширь и вглубь, о которой говорил Жорес Иванович Алфёров.

3 Августа, 2020
Сапфировые иглы для лазерной терапии. Их можно вырастить из расплава с температурой выше 2 тыс. градусов
Ученые из России разработали сапфировую иглу для лазерной терапии, которая может быть использована к...
28 Июля, 2020
«Вечный» подшипник: керамика ТГУ продлит жизнь аппаратам ИВЛ
Подшипники, служащие десятилетиями, будут производить физики Томского госуниверситета (ТГУ), уже е...