Фотоэлектрические преобразователи мощного лазерного излучения с вертикальным p/n переходом на основе AlGaAs

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00057

НазваниеФотоэлектрические преобразователи мощного лазерного излучения с вертикальным p/n переходом на основе AlGaAs

Руководитель Хвостиков Владимир Петрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова фотоэлектрический преобразователь, лазерное излучение, КПД, эпитаксия, беспроводная передача энергии

Код ГРНТИ44.41.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение задачи высокоэффективной передачи энергии и информации по лазерному лучу. Все эти задачи являются актуальными и насущными, т.к. их решение необходимо как для дальнейшего освоения и использования космоса (создания систем беспроводного получения электроэнергии удаленным приемником: электропитания космических аппаратов), так и для решения наземных информационно-энергетических задач, в том числе обеспечение электропитания робототехнических устройств, беспилотников, телекоммуникационного оборудования и т. д. При этом в качестве среды передачи может использоваться либо открытое пространство, либо оптическое волокно. Достоинствами оптического метода энергоснабжения являются обеспечение идеальной гальванической развязки между генератором и потребителем энергии, устойчивость к электромагнитным помехам в радиодиапазоне, а также отсутствие помех, создаваемых линией передачи. Особый интерес представляет диапазон длин волн лазерного излучения от 0.76 – 0.86 мкм, попадающий в большое окно прозрачности земной атмосферы, а также в первое окно прозрачности оптического волокна. К настоящему времени на этих длинах волн созданы высокоэффективные лазеры различных типов (полупроводниковые, твердотельные). Главной проблемой во всех случаях является обеспечение достаточно высокой эффективности фотоэлектрического преобразования падающего лазерного излучения, особенно с возрастанием его мощности. Задачей проекта является разработка, создание и исследование гетероструктурных фотопреобразователей потоков интенсивного лазерного излучения для приема и преобразования энергии в системах лучевой энергетики, повышения эффективности энергоснабжения наземных и космических объектов. Для достижения этой цели предполагается разработка и создание высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей на основе AlGaAs/GaAs соединений, рассчитанных на предельно высокую плотность мощности лазерного излучения в диапазоне длин волн 0.76 – 0.86 мкм. Основной задачей проекта является создание и исследование нового класса фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур с вертикальным p/n переходом, с "торцевым" вводом лазерного излучения, что должно позволить эффективно преобразовывать предельные плотности мощности лазерного излучения (1Е+5 - 1Е+6 Вт/см2). Актуальной также является разработка и создание информационных систем на основе AlGaAs/GaAs фотоэлектрических преобразователей с "торцевым" вводом лазерного излучения, позволяющих в то же время обеспечивать прием и преобразование в электроэнергию потоков лазерного излучения. Инновационная составляющая проекта обусловлена также разработкой метода жидкофазной эпитаксии для решения задачи создания фотопреобразователей на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур с волноводным градиентным слоем AlGaAs толщиной до 100 мкм c "торцевым" вводом лазерного излучения для диапазона длин волн 0.76 – 0.86 мкм с различной шириной запрещенной зоны в области p/n перехода, оптическое поглощение в которых согласовано с длиной волны лазерного излучения. При выполнении проекта будут созданы математические модели, позволяющие минимизировать омические и оптические потери фотопреобразователя , будут проведены работы по выбору наиболее перспективной конструкции фотопреобразователя, исследовано влияние на эффективность преобразования лазерного излучения геометрии прибора, уровней легирования, толщин слоев и их составов, будут выполнены исследования механизма прохождения тока. В целом результаты, полученные при выполнении проекта внесут существенный вклад в решение задачи создания систем беспроводной передачи электрической энергии и информации на Земле и в космосе, основной проблемой которой является обеспечение достаточно высокой эффективности фотоэлектрического преобразования излучения высокой плотности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Хвостиков В.П., Паньчак А.Н., Хвостикова О.А., Покровский П.В. Side-input GaAs laser power converters with gradient AlGaAs waveguide IEEE Electron Device Letters, VOL. 43, NO. 10, OCTOBER 2022, pp.1717-1719 (год публикации - 2022)
10.1109/LED.2022.3202987

2. А.В. Малевская, Ф.Ю. Солдатенков, Р.В. Левин, Н.С. Потапович Влияние режимов формирования контактной системы Pd/Ge/Au к n-GaAs на ее электрические характеристики ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, "Письма в журнал технической физики" (год публикации - 2023)

Публикации

1. В. П. Хвостиков, О. А. Хвостикова, Н. С. Потапович, А. С. Власов Phase Equilibria in the Al–Ga–As–Bi System at 900 C Inorganic Materials, 2023, Vol. 59, No. 7, pp. 721–726. (год публикации - 2023)
10.1134/S0020168523070087

2. Владимир Хвостиков, Ольга Хвостикова, Наталия Потапович, Алексей Власов, Роман Салий Estimation of interaction parameters in the Al-Ga-As-Sn-Bi system Heliyon, Heliyon 9 (2023) e18063 (год публикации - 2023)
10.1016/j.heliyon.2023.e18063

3. Н.С. Потапович, В.П. Хвостиков, О.А. Хвостикова, А.C. Власов Получение градиентных слоев в четырехкомпонентной системе Al−Ga−As−Sn методом жидкофазной эпитаксии Журнал технической физики, том 93, вып.10, стр.1476-1480 (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.10.56286.168-23

4. Н.С. Потапович, В.П. Хвостиков, О.А. Хвостикова, А.С. Власов Моделирование профилей распределения алюминия в эпитаксиальном слое в системе Al−Ga−As−Sn Письма в журнал технической физики, том 50, вып. 1, стр.36-38 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Структуры ФЭП (фотоэлектрического преобразователя) с “торцевым” вводом мощного лазерного излучения выращивались методом жидкофазной эпитаксии. Исследовалось влияние кристаллизации AlGaAs из Ga-Bi расплавов на снижение концентрации фоновых примесей и антиструктурных дефектов в растущем слое при высоких температурах роста (более 850 градусов Цельсия). В результате исследования было установлено, что при содержании висмута более 1% в Ga-Bi расплаве сохраняется n-тип проводимости в преднамеренно не легированном эпитаксиальном слое при температуре кристаллизации 900 градусов Цельсия. Результаты исследования могут быть использованы при выращивании относительно толстых эпитаксиальных слоев, в которых не допустима инверсия типа проводимости в процессе роста. Были исследованы волноводные слои AlGaAs с линейными и нелинейными градиентами показателя преломления. Линейный градиент показателя преломления характеризуется наиболее компактным распределением лазерного излучения в области p-n-перехода. Экспоненциальный профиль характеризуется наименьшей пиковой плотностью облучения, что предпочтительно для мощных фотопреобразователей и может использоваться в серийных сборках фотоэлектрических преобразователей. Проведена оценка возможности достижения максимального коэффициента полезного действия “торцевого” фотоэлектрического преобразователя. Для плотности лазерного излучения 5-6 кВт/см2 данная эффективность составила ~69%. Исследовался также выбор оптимального размера AlGaAs/GaAs фотопреобразователя на его электрические характеристики. Произведен монтаж сборки двух последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей. КПД такой сборки составил 56.7% при плотности мощности на выходе оптического волокна 6300 Вт/см2. Исследования показали увеличение плотности мощности лазерного излучения при максимальном значении КПД с 2 кВт/см2 для одиночного торцевого ФЭП до 6 кВт/см2 для сборки из двух ФЭП. На сегодняшний день разработанные торцевые ФЭП являются единственными фотопреобразователями, работающими в области плотности падающего излучения 1000-12000 Вт/см2. В зарубежных аналогах "торцевых" ФЭП на основе кремния максимальная величина плотности лазерного излучения не превышает 50 Вт/см2. Технология получения относительно толстых AlGaAs слоев методом высокотемпературной жидкофазной эпитаксии может быть применена не только для создания фотопреобразователей лазерного излучения высокой мощности, но и для получения других оптоэлектронных приборов (например, светодиодов высокой яркости, рентгеновских детекторов и др.), включающих градиентный слой AlGaAs не менее 40-50 мкм. https://globalenergyprize.org/ru/2024/07/19/rossijskie-uchenye-sozdali-kompaktnye-fotopreobrazovateli-dlja-beskontaktnoj-peredachi-jelektrojenergii/

Публикации

1. Владимир Петрович Хвостиков, Александр Николаевич Паньчак, Ольга Анатольевна Хвостикова, Павел Васильевич Покровский, Александра Вячеславовна Малевская Optimizing the Size of Vertical-Junction GaAs PV Cells With AlGaAs Gradient Waveguide IEEE Electron Device Letters, IEEE Electron Device Letters ( Volume: 45, Issue: 8, August 2024, Page(s): 1417 - 1420) (год публикации - 2024)
10.1109/LED.2024.3416760

2. Хвостикова О.А., Корниенко П.Д., Хвостиков В.П., Салий Р.А. Epitaxial growth AlGaAs from Bi-containing melts Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация., «Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки» №1.1, Т.18, 2025 (год публикации - 2025)

3. Ольга Хвостикова, Алексей Власов, Борис Бер, Роман Салий, Владимир Хвостиков Properties of AlxGa1-xAs grown from a mixed Ga-Bi melt Nature Portfolio, Scientific Reports 14, 1334 (2024) (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-024-51234-0

4. Хвостикова О. А., Хвостиков В. П., Власов А. С., Потапович Н. С. Эпитаксиальный рост AlxGa1-xAs из Ga-Bi-Sn расплава ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, Санкт-Петербург, Хвостикова О. А., Хвостиков В. П., Власов А. С., Потапович Н. С., "Эпитаксиальный рост AlxGa1-xAs из Ga-Bi-Sn расплава", Тезисы докладов международной конференции ФизикА.СПб, 21–25 октября 2024 года (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Технологии получения относительно толстых AlGaAs слоев методом высокотемпературной жидкофазной эпитаксии может быть применена не только для создания фотопреобразователей лазерного излучения сверхвысокой мощности с вертикальным p-n переходом, но и для получения других полупроводниковых приборов (например, светодиодов высокой яркости, рентгеновских детекторов и др.), включающих градиентный слой AlGaAs не менее 40-50 мкм.