Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0204

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0204
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Разработка технологии создания квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона для медицинских применений
Докладчик
Егоров Антон Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Исследование и разработка комплекса научно-технических и технологических решений, направленных на создание базовой технологии синтеза методом молекулярно-пучковой эпитаксии и базовой технологии изготовления кристалла одномодового квантово-каскадного лазера средней инфракрасной области спектра на длинах волн 7.5±1 мкм с целью создания квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона для применения их в клинической медицине при неинвазивной диагностике заболеваний.
Актуальность и новизна исследования
Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) излучают в среднем инфракрасном диапазоне и основаны на внутризонных оптических переходах, что является принципиальным отличием от «обычных» полупроводниковых лазеров с межзонными переходами и рекомбинацией носителей. В таких лазерах становится возможной генерация нескольких фотонов одним электроном (за счет подавления рекомбинации зона-зона, из-за чего электрон остается в зоне проводимости во время его прохождения через активную область структуры). При этом квантовый выход ККЛ может превысить 100%, а излучение характеризуется малым уширением линии излучения, что с учетом диапазона длин волн доступным для ККЛ, открывает уникальные возможности для улучшения качества лазеров для газоанализа, требуемого для медицинских применений. Хронические респираторные расстройства, в частности астма и обструктивные болезни легких (ОБЛ) являются важной проблемой в медицине во всем мире. Неинвазивная диагностика данных заболеваний на ранних стадиях является важной и актуальной задачей. В свою очередь, газоанализаторы на основе квантово-каскадных лазеров (ККЛ) имеют ряд преимуществ в сравнении с Фурье-спектрометрами, широко используемыми в настоящее время : - малые размеры газоанализатора; - высокая чувствительность системы к концентрации выдыхаемых маркеров; - возможность детектировать нескольких типов био-маркеров в ходе одного измерения; - более низкая стоимость. Для создания газоанализаторов на основе ККЛ требуется промышленная технология формирования кристалла ККЛ, выступающего в качестве компонентной базы газоанализатора. Актуальность предлагаемого ПНИЭР обусловлена, в первую очередь, отсутствием отечественного производства квантовых каскадных лазеров.
Описание исследования

Достижение поставленной цели потребует решения следующих задач:

  • - разработка технологии роста гетероструктур ККЛ методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ);
  • - разработка технологии формирования кристалла ККЛ;
  • - разработка методов селекции длины волны излучения ККЛ
  •  - создание ЭО образцов ККЛ работающих  в одномодовом режиме

Для выращивания лазерных гетероструктур будет использован один из наиболее современных технологических методов - молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), осуществляемая на промышленной установке МПЭ – Riber 49 (Франция), позволяющей одновременно загружать три 4-дюймовые пластины или пять 3-дюймовых пластин, что имеет важное значение для развития отечественной промышленной технологии получения ККЛ. Элементы третьей группы (Al, In, Ga) и легирующие (Si) будут подаваться из эффузионных ячеек, а мышьяк из крекингового источника большого объема. Контроль дифракции быстрых электронов во время эпитаксиального роста позволит исследовать процессы роста напряженных сверхрешеток с квантовыми ямами и квантовыми точками и контролировать характер и механизмы роста (двумерный, трехмерный, границы области образования квантовых ям, квантовых точек и т.д.). Структурные свойства будут исследоваться с помощью комплексного применения методов просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Это позволит определять состав и уровень рассогласования для выращенных эпитаксиальных структур, разрывы зон на гетерограницах, анализировать распределение состава, исследовать структуру слоев. Электрофизические свойства (оценка уровня легирования, концентрации носителей заряда, наличия и глубины залегания примесных центров) будут исследованы с привлечением вольт-емкостных методов, спектроскопии глубоких уровней и эффекта Холла. Электронные и оптические свойства гетероструктур ККЛ будут изучаться за счет измерения и анализа спектров фотолюминесценции при температурах от комнатной до температуры кипения жидкого гелия, методами возбуждения фотолюминесценции и электролюминесценции. Основное внимание будет уделено уменьшению безызлучательных потерь и расширению спектра усиления в гетероструктурах ККЛ. Планируется исследовать такие дизайны активной области, как “double-phonon resonance” и “bound-to-continuum”. Сопоставление результатов математического моделирования с экспериментальными результатами МПЭ-роста гетероструктур позволит разработать технологию МПЭ-роста гетероструктур ККЛ на заданных длинах волн. Для преодоления негативных факторов, влияющих на эффективность ККЛ в ходе работы будет использоваться ряд оригинальных концепций дизайна составов и последовательностей слоев сверхрешеток для минимизации выброса носителей в континуум и безызлучательной рекомбинации. Также будет применяться так называемая «цифровая» или субмонослойная МПЭ. Опыт исполнителей позволяет предполагать, что открывающиеся при таком подходе возможности управления распределением полей упругих напряжений и профилем состава позволят значительно расширить диапазон длин волн и продвинуться в область более длинноволнового излучения путем создания материалов с более низкими энергиями излучательных переходов за счет изменения гетеробарьеров и возникновения минизон в сверхрешетках. Для разработки и создания ЭО ККЛ работающих  в одномодовом режиме  будет использована технологическая база Индустриального  партнера  ОАО «ОКБ -Планета» В.Новгород, обладающая всем необходимым оборудованием мирового уровня.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИЭР будут получены следующие научно-технические результаты:

  • Математическая модель волновода квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм.
  • Математическая модель активной области квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм.
  • Технические принципы построения гетероструктуры квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм.
  • Технические принципы построения кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации.
  • Программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации.
  • Лабораторная технологическая инструкция на процесс прецизионного сухого травления многослойных гетероструктур квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм.
  •  Лабораторная технологическая инструкция на процесс формирования омических контактов к полупроводниковым контактным слоям квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм.
  • Лабораторная технологическая инструкция на технологию изготовления кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации.
  • Лабораторная технологическая инструкция на технологию молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводниковых гетероструктур квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм.
  • Экспериментальные образцы (ЭО) кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации.
  • Проект технического задания на ОКР по теме: «Разработка лазерного модуля на основе квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм».
  • Предложения и рекомендации по использованию разработанного комплекса технологических и научно-технических решений.

Полученные результаты будут находиться на самом высоком мировом уровне и будут представлены на ведущих научных конференциях по профилю проекта и опубликованы в индексируемых в Scopus и WoS научных журналах. Одновременно по результатам выполнения ПНИЭР планируется к подаче не менее 3 патентных заявок

Практическая значимость исследования
В результате выполнения ПНИЭР будет создан существенный конструкторско-технологический задел, который позволит сформулировать техническое задание на ОКР по разработке промышленной технологии квантово-каскадных лазеров для средней инфракрасной области спектра для медицинских применений. Возможными исполнителями ОКР могут выступить ООО «Коннектор Оптикс», Санкт -Петербург (располагающее необходимой технологической базой в части технологии полупроводниковых многослойных наногетероструктур), ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород (обладающее необходимым набором оборудования и заделом по изготовлению различных типов лазерных кристаллов ). На завершающем этапе выполнения ПНИЭР будут проводиться переговоры с потенциальными потребителями разрабатываемой продукции. На сегодняшний день в России технология создания квантово-каскадных лазеров отсутствует. Реализация ПНИЭР позволит сформировать задел в РФ области создания ККЛ, как компонентной базы газоанализаторов для неинвазивной диагностики хронических респираторных расстройств, определения уровня глюкозы в крови.