Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Была предложена конструкция активной области квантово-каскадного лазера (ККЛ) терагерцового диапазона частот c максимальным коэффициентом усиления gmax ~ 70 см^{-1} на частоте ~ 3.37 ТГц при напряженности электрического поля F=12.3 кВ/см и температуре T = 50 K. Толщины слоев одного каскада в нм имеют следующие значения: 4.2/(16.1)/4.8/(9.6)/2.0/(7.3), где в скобках обозначены слои КЯ из GaAs (один период имеет 44 нм номинальной толщины). Проведен расчет спектров усиления ТГц ККЛ в зависимости от напряженности приложенного электрического поля и температуры. Многослойная гетероструктура GaAs/Al0.15Ga0.85As для ККЛ была выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии (Riber 21) на полуизолирующей подложке GaAs (001) диаметром 3 дюйма. Гетероструктура состояла из активной области, которая была заключена между верхним и нижним контактными слоями. Верхний контактный слой состоял из 50 нм n+-GaAs c концентрацией легирования 5x10^18 см^{-3}, 10 нм n+-GaAs c концентрацией легирования 5x10^19 см^{-3} и 3.5 нм пассивирующего слоя GaAs, выращенного при пониженной температуре роста 250 ºС. Нижний контактный слой состоял из 800 нм n+-GaAs c концентрацией легирования 5x10^18 см^{-3}. Для создания двойного металлического волновода под нижним контактным слоем был выращен стоп-слой Al0.91Ga0.09As толщиной 200 нм. Скорость роста составляла около 0.8 монослоев в секунду. Реактор был оснащен высокоскоростными затворами с приводом 150 мс, поэтому распространение интерфейсов не превышало 0.04 нм. Рост проводился в стабилизированных условиях As-flow; температура осаждения контролировали ИК- пирометром. Состояние поверхности контролировалось in situ высокоэнергетической дифракцией электронов, а качество выращенной гетероструктуры исследовали методом рентгеновской дифракции и фотолюминесценции, спектры которых сравнивались с расчетными. Проведенные методами рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии исследования свидетельствуют о высоком кристаллографическом и эпитаксиальном качестве выращенной структуры. Были изготовлены ТГц ККЛ с двойным металлическим волноводом Au-Au шириной 100 мкм и резонатором Фабри-Перо длиной 1000 мкм. Порог генерации у изготовленных ТГц ККЛ достигается при токе 0.85 – 0.86 А для 20 К. Проведено исследование влияния температуры на пороговый ток и выходную мощность изготовленного ТГц ККЛ, излучающего в области ~ 3.3 ТГц с максимальной рабочей температурой Tmax ~ 84 К. Из зависимости порогового тока от температуры определена характеристическая температура T0 = 20 К. Показано, что при увеличении температуры от 40 до 58 К наблюдается незначительное уменьшение мощности излучения ТГц ККЛ на ~ 35%, что позволяет использовать для охлаждения лазера откачку паров азота. Из графика Аррениуса выходной мощности от температуры определена характеристическая энергия Ea = 23 мэВ, которая необходима для температурной активации испускания LO-фононов при рекомбинации электронов с верхнего на нижний лазерные уровни. На основе измерений удельного сопротивления металлов для различных температур рассчитаны спектры коэффициента волноводных потерь ТГц излучения квантово-каскадного лазера с двойным металлическим волноводом (ДМВ) на основе Au и Ag. Для экспериментального измерения удельного сопротивления проведено напыление Ti/Au (30/1000 нм) и Ti/Ag (30/1000 нм) на полуизолирующую подложку GaAs резистивным методом в вакуумной камере c технологическими режимами, которые используются для изготовления ТГц ККЛ. Полученные образцы раскалывались по кристаллографическим осям на кусочки квадратной формы с размерами ~1×1 см, у которых методом Ван дер Пау измерялось удельное сопротивление в диапазоне температур от 4.2 до 300 К. Было показано, что с учетом поглощения ТГц излучения свободными носителями и оптическими фононами, спектр суммарных модовых потерь имеет широкий минимум в области 3–6 ТГц, который смещается в высокочастотную область спектра с ростом температуры. Минимальные потери в волноводе на основе Au с ростом температуры от 100 до 300 К увеличиваются с 8 до 27 см^{-1}. Использование ДМВ на основе Ag позволяет уменьшить потери на 2–4 см^{-1} по сравнению с ДМВ на основе золота. Изготовлены первые тестовые образцы верхней части волновода ТГц квантово-каскадного РОС лазера на основе GaAs/AlGaAs с модуляцией усиления.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Многослойная гетероструктура с активной областью на основе каскада из четырех квантовых ям (КЯ) GaAs/Al0.15Ga0.85As с резонансно-фононной схемой депопуляции нижнего лазерного уровня и частотой генерации около 2.3 ТГц была выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирущей подложке GaAs диаметром 3 дюйма. Толщины слоев (в нм) одного каскада, начиная с барьера инжектора, таковы: 5.7/(8.2)/3.1/(7.1)/4.2/(16.1)/3.4/(9.6), где толщины КЯ GaAs выделены скобками. Центральная часть широкой КЯ легирована донорной примесью Si со слоевой концентрацией 3.1х10^10 см^(–2). Толщины верхнего и нижнего контактных слоев n+-GaAs составили: 800 нм и 50 нм. Были изготовлены ТГц квантово-каскадные лазеры (ККЛ) разной длины с двойным металлическим волноводом на основе золота. Были исследованы вольт-амперные характеристики (ВАХ), зависимости интенсивности излучения от напряжения и спектры излучения ККЛ при работе, как в до области отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), так и в области ОДС. Было показано, что образование доменов электрического поля (ДЭП) приводит к большому количеству разрывов на ВАХ и в зависимости интенсивности излучения от напряжения. Измерения спектров излучения при различном токе (до области ОДС и в области ОДС) показывают, что образование ДЭП приводит к уменьшению интенсивности излучения, но не влияет на частоты генерации. Выполненные расчеты качественно объясняют результаты эксперимента. Разработана модель расчета вольт-амперных (ВАХ) и мощностных характеристик квантово-каскадных лазеров (ККЛ) терагерцевого диапазона (ТГц) на основе системы балансных уравнений для локализованных состояний и состояний континуума. Для учета влияния дефазировки на процессы переноса носителей заряда предложен метод модификации собственного базиса уравнения Шредингера путем уменьшения дипольных моментов туннельно-связанных состояний. После этого рассчитывались матричные элементы дипольных переходов, вероятности рассеяния на оптических фононах, примесях, а также вероятность электрон-электронного рассеяния в приближении термодинамического равновесия в подзонах. Вероятность туннельных переходов рассчитывалась в приближении случайных фаз с лоренцевскими контурами линий. Спектр усиления определялся с учетом вклада нерезонансных переходов. Учитывались многочастичные эффекты электро-электронного взаимодействия. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных ВАХ и зависимости интегральной интенсивности излучения от тока для ТГц ККЛ с частотой генерации 2.3 ТГц и найдено хорошее соответствие рассчитанных и экспериментальных значений порогового тока, токового диапазона генерации и максимальной рабочей температуры Тmax. Показано, что при уменьшении толщины верхнего контактного слоя n+-GaAs исследуемого лазера с 800 до 100 нм можно увеличить Тmax на 25 %. Проведены моделирование и оптимизация терагерцового квантово-каскадного лазера на основе узкозонных квантовых ям HgCdTe. Показано, что для структуры с двумя квантовыми ямами Hg0.7Cd0.3Te толщиной 12.9 и 4.9 нм и с двумя барьерами Hg0.4Cd0.6Te толщиной 1.9 нм в каскаде достигается усиление 65 см^(–1) на частоте 8.3 ТГц при температуре 300 К. Такой коэффициент усиления достигается благодаря малой эффективной массе электронов и необычной зависимости ширины запрещенной зоны в узкозонных HgCdTe. Разработаны постростовые процессы изготовления гребневых мезаполосков с шириной 20-50 мкм для создания непрерывных терагерцовых квантово-каскадных лазеров с двойным металлическим волноводом (ДМВ). Изготовлены гребневые мезаполоски непрерывных ТГц ККЛ с ДМВ на основе Au-Au. Проведен расчет геометрии распределенной обратной связи для ТГц ККЛ и разработаны постростовые процессы изготовления одномодовых ТГц ККЛ с распределенной обратной связью. Измеренный спектр генерации ТГц ККЛ подтверждает одномодовый режим генерации изготовленных лазеров. Также был разработан способ изготовления ТГц ККЛ с плазмонным волноводом, когда нижней обкладкой волновода является легированный слой GaAs толщиной 500-800 нм.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчетном году Проекта были проведены работы направленные на создание мощных и высокотемпературных зонных дизайнов квантово-каскадных лазеров терагерцовового диапазона (ТГц ККЛ). В рамках данного направления был проведен анализ фононных мод и определена степень влияния дисперсии частоты фононных мод от волнового вектора фононов на результирующую скорость межподзонного рассеяния в активной области ТГц ККЛ. Было обнаружено, что вклад интерфейсных фононных мод в скорость рассеяния анализируемой структуры ТГц ККЛ достигает 40%, дисперсия энергии фононных мод от волнового вектора составляет 0.3–1.9 мэВ. При этом результирующая скорость межподзонного рассеяния в структуре с учетом интерфейсных и ограниченных мод практически не отличается от расчетов в приближении объемных фононов структуры. Предложены оригинальные дизайны ТГц ККЛ с каскадом из двух квантовых ям GaAs/AlGaAs с максимальной рабочей температурой 238 К (превышающей рекорд 2019 г.). Кроме того, среди предложенных дизайнов обнаружена структура с составом алюминия в барьерах x=0.20 имеющая большие толщины слоев, а, следовательно, предложенный дизайн технологически проще реализуем с точки зрения технологии эпитаксиального роста. Проведена оптимизация дизайна ТГц ККЛ с каскадом из четырех квантовых ям GaAs/AlGaAs для получения максимальной выходной мощности и предложен оригинальные конструкции ТГц ККЛ с выходной мощностью более 250 мВт для лазерного полоска с длиной 1 мм, шириной 100 мкм и толщиной активной области 10 мкм. Другим направлением исследования был синтез структур для ТГц ККЛ на основе разработанных дизайнов методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). На установке МПЭ Riber 21 с использованием твердотельного источника мышьяка была выращена серия структур для ТГц ККЛ. Определена динамика изменения температуры источников галлия и алюминия в серии последовательных ростовых сессий 14 структур ТГц ККЛ с толщинами активных областей около 10 мкм. Определена ширина на половине высоты сателлитных пиков - 15−19′′, измеренной типичной рентгеновской кривой качания вблизи симметричного рефлекса (004) GaAs, обусловленных периодическим повторением каскадов выращенных ККЛ структур. Отметим, что полная ширина сверхструктурных пиков в модельном спектре с учетом изгиба структуры под действием упругих напряжений составляет 22.4′′. Это подтверждая правильность выбора технологических параметров при синтезе активной области ТГц ККЛ. Детально исследованы структурные свойства эпитаксиальных образцов с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Изображения ПЭМ показывают высокое качество синтезированных образцов, резкую границу раздела между слоями по всей структуре и равномерность толщин различных слоев. Для этого снимки ПЭМ были сделаны для каскадов, расположенных около подложки (в начале МПЭ роста), в середине структуры и около поверхности образца (в конце МПЭ роста). В ходе выполнения Проекта были изготовлены ТГц ККЛ на основе выращенных структур с высокотемпературными дизайнами с использованием двойного металлического волновода (ДМВ) на основе золота. Частоты генерации изготовленных лазеров – 3.4 ТГц и 4.2 ТГц. Лазеры демонстрируют широкополосную генерацию с шириной полосы до 400 ГГц. Пороговый ток лазеров не превышает 1А, а максимальный оптический сигнал достигается при токе 2.4А. Максимальные рабочие температуры изготовленных лазеров превышают 130 К. Изготовлены ТГц ККЛы на основе выращенных структур с оптимизированными дизайнами под высокую выходную мощность с использованием поверхностного плазмонного волновода (ППВ). Разработана оригинальные технология изготовления ТГц ККЛ с ППВ, позволяющая изготавливать лазеры с шириной полоска от 30 до 150 мкм. Предложен способ контроля глубокого жидкостного травления (от 10 до 15 мкм) с “остановкой” на контактном слое n+-GaAs толщиной от 400 до 800 нм. Отдельным направлением работ Проекта являлась инженерия лазерного пучка для ТГц ККЛ с ДМВ. В рамках данных работ исследовалась диаграмма направленности излучения ТГц ККЛ с ДМВ. Проведен расчёт топологии и промоделировано семейство антенн разного типа для формирования Гауссова оптического пучка. Проведено исследование эффективности электрической накачки ТГц ККЛ при неоднородном питании лазерного полоска. Установлено, что при подаче напряжения на одну контактную площадку, расположенную на краю лазерного полоска, падение напряжения вдоль длины 1 мм волновода составляет около 2 В, что приводит к низкой эффективности электрической накачки и уменьшении выходной мощности на 60% при толщине верхней металлизации 150 нм. В случае подачи напряжения на одну контактную площадку, расположенную в центре лазерного полоска длиной 1 мм, эффективность электрической накачки сравнима с рассмотренными случаями подачи напряжения на две и три контактные площадки. Таким образом, если контактная площадка ТГц ККЛ находится на периферии прибора, то для эффективной электрической накачки необходимо использовать толщину верхней металлизации более 500 нм. При толщине верхней металлизации менее 500 нм и расположении контактных площадок в центральной области лазерного полоска для эффективной инжекции тока необходимо располагать контактные площадки на расстоянии менее 0.5 мм друг от друга. Были исследованы трех- и двух-ямные конструкции HgCdTe ТГц ККЛ с резонансно-фононным дизайном, когда напряжение на каскаде близко сумме энергии фотонов излучения 34,3 мэВ и энергии продольных оптических фононов 18,3 мэВ, то есть для частоты генерации 8.3 ТГц. В результате численной оптимизации была разработана 3-ямная конструкция HgCdTe ТГц ККЛ с максимальным усилением более 100 см^[-1] при температуре решетки 150 К. Было обнаружено, что наилучшую температурную стабильность демонстрирует оптимизированная 2-ямная конструкция с пиковым коэффициентом усиления, превышающим 100 см^[-1] при 200 K. По сравнению с 3-ямной конструкцией, более узкие ямы в 2-ямной конструкции приводят к более высоким уровням энергии со слабо локализованными электронными волновыми функциями, охватывающими несколько периодов. Следовательно, 2-ямная конструкция имеет большее пространственное перекрытие волновых функций лазерных уровней 3 и 2, что увеличивает дипольный матричный элемент перехода излучения. Была определена максимальная рабочая температура предложенных дизайнов. При этой температуре вычисленное оптическое усиление становится равным потерям в резонаторе. Такие условия достигаются для 2-х и 3-х ямных дизайнов при 225 К и 170 К, соответственно. Было предложено использование эффекта самосмешивания в ТГц ККЛ для создания схемы терагерцовой визуализации, при котором ТГц излучение отражается от внешней мишени обратно в резонатор лазера и интерферирует (смешивается) с электромагнитным полем внутри резонатора ТГц ККЛ. Было проведено моделирование эффект самосмешивания за счет введения параметра “дополнительного рассеяния”, который является подгоночным коэффициентом. Была рассчитана зависимость величины напряжения самосмешивания от протекающего через структуру тока и показано, что наибольший сигнал самосмешивания наблюдается в области токов, в которой наблюдается наибольшее дифференциальное сопротивление. Был предложен способ оптимизации известных дизайнов ТГц ККЛ для усиления эффекта самосмешивания за счет увеличения дифференциального сопротивления в области генерации ТГц ККЛ. По нашим оценкам предложенный подход системы ТГц визуализации на основе эффекта самосмешивания в ТГц ККЛ позволит получать изображения с высоким разрешением – порядка 1 мкм. Разработан подход по созданию спектрометров на основе ТГц ККЛ и создан лабораторный макет спектрометра. Проведена разработка системы стабилизации частоты ТГц ККЛ с использованием высокостабильного сигнала опорного источника. Блок фазовой автоподстройки частоты содержит фазовый детектор (для сравнения фаз сигнала опорного генератора и сигнала ПЧ между частотой ККЛ и гармоникой ЛОВ), петлевой фильтр (3 порядка) для отсечки высоких боковых компонент после фазового детектора и управляющую нагрузку. Продемонстрировано приложение ТГц ККЛ для целей газовой спектроскопии, что является крайне перспективным с точки зрения обнаружения различных веществ, в том числе угрожающих для жизни людей (отравляющих вещества). Отдельно стоит отметить проведенную работу по измерению спектров циклотронного резонанса в гетероструктурах HgTe/CdHgTe при исследовании изготовленных в проекте ТГц ККЛ. Это прямая демонстрация возможно приложения ТГц ККЛ для спектроскопии полупроводниковых соединений различной конструкции.