Фотоника и оптоэлектроника на основе наногетероструктур полупроводников А3В5 для экологического мониторинга, водородной энергетики и медицины

В последние годы интенсивно развиваются исследования наногетероструктур на основе узкозонных полупроводников А3В5 и приборостроение для современной ИК фотоники и оптоэлектроники. Данный процесс способствует реализации задач в области энергетики, информационных технологий, СВЧ коммуникаций, а также улучшению качества жизни населения путем повышения уровня экологической безопасности и медицинской диагностики. Процессы ударной ионизации в полупроводниках в течение многих лет являются объектом исследований, что обусловлено важностью изучения фундаментальных физических явлений и необходимостью создания полупроводниковых приборов для систем волоконно-оптических линий связи, лазерной дальнометрии и др. Явление ударной ионизации может быть использовано для улучшения параметров светоизлучающих структур и приборов (светодиодов, лазеров) с целью повышения квантовой эффективности и увеличения выходной оптической мощности (Михайлова МП и др. // 2020. ФТП. Т.54, №12. С. 1267-1288). Работы по созданию и совершенствованию лавинных фотодиодов ближнего и среднего ИК диапазона активно ведутся во многих отечественных и зарубежных научных центрах. Экологические проблемы, связанные с техногенным загрязнением атмосферы и водной среды, являются одним из вызовов современному обществу. В ближней и средней ИК области спектра располагаются полосы поглощения природных и промышленных газов (СО, СО2, СН4, Н2S и др.), паров воды, биологических веществ. Многие научные коллективы в мире работают над созданием высокоэффективных полупроводниковых источников и приемников излучения для ближнего и среднего ИК диапазона, а также оптических сенсоров и анализаторов на основе оптопар «светодиод-фотодиод». Для многих средневолновых светодиодов на основе гетероструктур InAsSbP/InAs в научной литературе и спецификациях отсутствуют данные об их фотонном шуме, т.е. о спонтанных флуктуациях выходной мощности. Однако при проведении прецизионных оптических измерений указанная характеристика является одной из наиболее существенных, так как определяет отношение сигнал/шум измерительной системы. Светодиоды среднего ИК диапазона пока находятся на периферии знаний в отношении исследования шумов, в отличие от светодиодов на основе InGaN/GaN (Chernyakov A.E. et al. // 2014. Journal of Crystal Growth. V. 104. P. 302-304; Lee I.-H. et al. // 2017. Appl. Phys. Lett. V. 111, № 6. P. 062103-(1-5)). Так, основной проблемой известных в настоящее время полупроводниковых светодиодов является невозможность обеспечения низких шумов и высокой мощности без принудительного охлаждения, высокой надежности и эффективности/малого энергопотребления. Все это не позволяет создавать портативные и недорогие датчики для анализаторов, в том числе для анализаторов пластика. Развитие современной науки и техники требует разработки фотоприемников, обладающих высоким быстродействием для регистрации лазерного излучения в ИК области спектра. Данный параметр является определяющим при выборе фотоприемника для таких направлений как лазерная диодная дальнометрия и локация, лазерная спектроскопия газов и молекул, а также для волоконно-оптических линий связи и систем оптической связи в свободном пространстве. Однако экспериментальное определение быстродействия ИК фотоприемников (B. Chen et al. // 2021. Photonics. V.8, № 14. P. 2−19) остается достаточно сложной задачей как с точки зрения подбора источника излучения, так и из-за трудностей согласования измерительного тракта. В настоящее время внимание научного сообщества обращено к альтернативным источникам энергии, в том числе водородному топливу. Для безопасных условий эксплуатации водородных двигателей, транспортировки и хранения жидкого и газообразного водорода необходимо разрабатывать высокочувствительные и быстродействующие сенсоры водорода, надежные и простые в эксплуатации, работающие при температуре окружающей среды.