Физики из России решили 60-летнюю проблему создания перовскитного лазерного диода

Прямая электрическая инжекция в полупроводниках, полученных из раствора

Получаемые из раствора полупроводники включают органические материалы, квантовые точки и галогенидные перовскиты. Они представляют собой недорогую альтернативу сложным эпитаксиально выращенным кристаллам, которые синтезируют слой за слоем на поверхности твердой подложки. Однако создание электрически управляемых лазерных диодов на основе полупроводников из раствора долгое время оставалось чрезвычайно сложной задачей. При высокой плотности тока традиционные архитектуры светодиодов подвержены перегреву, который приводит к деградации материала.

Чтобы устранить это препятствие, научная группа Сколтеха воспользовалась уникальной физикой экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, возникающих при сильной связи между светом (фотонами) и связанными электрон-дырочными парами (экситонами) внутри оптического микрорезонатора. Благодаря своей бозонной природе поляритоны способны коллапсировать в единое макроскопическое квантовое состояние — бозе-эйнштейновский конденсат — и излучать когерентный лазерный свет при значительно более низких энергиях и плотностях заряда, чем в обычных полупроводниковых лазерах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Исследователи интегрировали выращенный из раствора перовскитный пластинчатый микрокристалл с тонкопленочными электродами из однослойных углеродных нанотрубок внутри высокодобротного оптического микрорезонатора. Применив специальный двухэтапный протокол криоохлаждения, команда добилась контролируемого пространственного перераспределения подвижных ионов, сформировав стабильный, «замороженный» PIN-диод.

Этот «замороженный» PIN-диод обеспечил эффективную инжекцию носителей заряда без разрушения кристаллической решетки перовскита. Под непрерывным постоянным электрическим током устройство продемонстрировало поляритонную генерацию при низком пороговом токе в 60 микроампер.

«Достижение лазерной генерации при прямой электрической накачке в материалах, полученных из раствора, было одной из ключевых целей полупроводниковой оптоэлектроники на протяжении 60 лет, — говорит ведущий автор исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Анатолий Пушкарев. — Сочетая химически инертные электроды из углеродных нанотрубок с подвижными галогенидными вакансиями в решетке перовскита, мы нашли рабочий способ предотвратить нежелательные реакции на границе между перовскитом и электродом и преодолеть омический нагрев. Инжекция носителей заряда в нашем устройстве создает сильно локализованный центр электролюминесценции в месте физического дефекта, который мы формируем вблизи конца пучка углеродных нанотрубок».

«Этот физический дефект создает притягивающий потенциал для свободных экситон-поляритонов и „захватывает“ их, — добавляет соавтор статьи, старший научный сотрудник Степан Барышев из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — Мы отчетливо пронаблюдали три характерных признака конденсации захваченных экситон-поляритонов, а именно: нелинейный рост интенсивности излучения, сужение спектральной линии и синий сдвиг лазерного излучения при превышении порогового тока».

Трансформация фотонных технологий нового поколения

В отличие от традиционных полупроводниковых лазерных диодов, требующих сложных и дорогостоящих методов эпитаксиального выращивания, перовскитные микрорезонаторы, получаемые из раствора, можно изготавливать с помощью простой химии. Более того, поляритонные лазеры работают при плотностях возбуждения значительно ниже порога моттовского перехода, что сводит к минимуму энергопотребление и тепловыделение.

Возможность напрямую управлять конденсатами света и вещества с помощью электрического тока открывает конкретные перспективы практического применения сразу в нескольких областях. Такие электрически управляемые устройства могут служить маломощными интегрированными оптическими соединениями для высокоскоростных вычислений, компактными когерентными источниками света на чипе в оптических сенсорах и спектроскопии, а также лечь в основу энергоэффективных нейроморфных вычислительных систем и оптических логических схем на основе поляритонов.

«Эта работа дает рецепт для создания нового класса электрически управляемых источников когерентного света на основе полупроводников, получаемых из раствора, — добавляет научный руководитель исследования, заслуженный профессор Сколтеха Павлос Лагудакис, который руководит Лабораторией гибридной фотоники института. — Она соединяет фундаментальную физику поляритонов с практической инженерией оптоэлектронных устройств, прокладывая путь к реальным применениям поляритонных лазеров».