Простой метод позволил добиться рекордной производительности перовскитных лазеров

Подавление Оже-рекомбинации для высокопроизводительных перовскитных VCSEL. Автор: Синлян Дай / Чжэцзянский университет

В течение многих лет инженеры искали более эффективные способы создания крошечных и эффективных лазеров, которые можно было бы интегрировать непосредственно в кремниевые чипы. Это ключевой шаг на пути к более быстрой и производительной оптической связи и вычислениям.

Современные коммерческие лазеры в основном производятся из полупроводников III-V группы, выращиваемых на специализированных подложках. Этот процесс делает их сложными и дорогими для совмещения с основной кремниевой технологией. Полностью неорганические перовскитные плёнки стали многообещающей альтернативой, поскольку их можно производить дёшево, они совместимы со многими типами подложек и обладают сильными оптическими свойствами.

Но на пути стояло одно серьёзное препятствие: при комнатной температуре было сложно заставить перовскитные лазеры работать в непрерывном или квазинепрерывном режиме без быстрой потери носителей заряда из-за эффекта, известного как Оже-рекомбинация.

Исследовательская группа из Чжэцзянского университета продемонстрировала простой метод преодоления этой проблемы, достигнув рекордной производительности перовскитных лазеров в условиях, близких к непрерывной работе.

Схематические диаграммы и экспериментальная демонстрация высокопроизводительной перовскитной лазерной генерации за счёт подавления Оже-рекомбинации, управляемой фазовой реконструкцией. Автор: Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.5.056006

Как сообщается в Advanced Photonics, их подход использует летучее аммониевое добавление в процессе отжига поликристаллических перовскитных плёнок. Эта добавка запускает «фазовую реконструкцию», которая удаляет нежелательные низкоразмерные фазы, уменьшая каналы, ускоряющие Оже-рекомбинацию. В результате получается чистая 3D-структура, которая лучше сохраняет носители заряда, необходимые для лазерной генерации, без добавления значительных оптических потерь.

Чтобы понять улучшение, команда проанализировала, как электроны и дырки рекомбинируют при различных условиях накачки. Оже-рекомбинация — когда энергия от рекомбинирующей электрон-дырочной пары передаётся другому носителю вместо излучения в виде света — становится особенно проблематичной, когда входной свет подаётся более длинными импульсами или непрерывными пучками.

В таких ситуациях инжекция носителей происходит в масштабе времени, аналогичном или более длинном, чем время жизни Оже, что приводит к быстрой потере носителей и предотвращает накопление инверсии населённостей, необходимой для лазерной генерации. Подавив этот процесс, исследователи смогли поддерживать плотность носителей, необходимую для эффективного стимулированного излучения.

С помощью оптимизированных плёнок команда создала одномодовый вертикально-излучающий лазер (VCSEL), который достиг низкого порога генерации 17,3 мкДж/см² и впечатляющего добротности 3850 при квазинепрерывной наносекундной накачке. Эта производительность является лучшей из зарегистрированных на сегодняшний день для перовскитного лазера в этом режиме.

Результаты указывают на практический путь создания высокопроизводительных перовскитных лазеров, которые могли бы работать в условиях истинной непрерывной волны или электрической накачки — ключевых вех для их интеграции в будущие фотонные чипы и потенциально гибкие или носимые оптоэлектронные устройства.

Больше информации: Синьян Ван и др., Фазовая реконструкция перовскита, управляемая летучим аммонием, для высокопроизводительной квази-непрерывной лазерной генерации, Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.5.056006

Источник: SPIE