Лаборатория полупроводниковой фотоники

Руководитель направления:

• д.ф.м.-н., профессор Фирсов Дмитрий Анатольевич

• д.ф.м.-н., профессор Шалыгин Вадим Александрович
• к.ф.м.-н., доцент Винниченко Максим Яковлевич
• старший преподаватель Паневин Вадим Юрьевич
• старший преподаватель Мелентьев Григорий Александрович
• ассистент, аспирант Харин Никита Юрьевич
• инженер, аспирант Устименко Ратмир Владленович
• ассистент, аспирант Караулов Данила Андреевич

• Направления исследований

  1. Приборы полупроводниковой оптоэлектроники и наноэлектроники:
  ⇒ лечебно-диагностический стоматологический лазерный комплекс (Патент 2015 г.) и комплекс диагностики, профилактики и лечения онкологических заболеваний (Патенты 2012, 2013 гг.)
  ⇒ лазеры терагерцового диапазона на горячих дырках в германии (государственная премия СССР, 1987 г.)
  ⇒ быстродействующие модуляторы ИК и терагерцового излучения на горячих носителях заряда
  ⇒ лазеры и детекторы среднего ИК диапазона на базе наногетероструктур с квантовыми ямами и точками

  2. Новые оптические и кинетические явления в полупроводниках в сильных электрических полях при разогреве носителей заряда, а также в сильных скрещенных электрических и магнитных полях:
  ⇒ внутризонное и межподзонное излучение света горячими электронами и дырками
  ⇒ внутри- и межзонное поглощение света горячими электронами и дырками, в том числе и индуцированное неравновесными оптическими фононами
  ⇒ эффекты Фарадея и Керра на горячих электронах и дырках в однодолинных и многодолинных полупроводниках
  ⇒ индуцированное неравновесными оптическими фононами межзонное поглощение света
  ⇒ оптическая активность, индуцированная током
  ⇒ увлечение фотонов током дырок в германии
  ⇒ интерференция света при разогреве электронов
  ⇒ инверсия населенности горячих носителей заряда и генерация излучения дальнего ИК (терагерцового) диапазона.

  3. Оптические явления в наногетероструктурах, связанные, главным образом, с внутризонными (внутриподзонными и межподзонными) переходами неравновесных носителей заряда в квантовых ямах, с внутризонными межуровневыми переходами неравновесных носителей заряда в квантовых точках, динамика поглощения и излучения света в наноструктурах в пикосекундном диапазоне:
  ⇒ излучение и поглощение света дальнего ИК (терагерцового) диапазона при внутри- и межподзонных переходах горячих электронов и дырок
  ⇒ поглощение и преломление света при разогреве электронов в квантовых ямах
  ⇒ фотолюминесценция полупроводниковых нитевидных нанокристаллов
  ⇒ внутризонное излучение света из квантовых точек и квантовых ям
  ⇒ циркулярный фотогальванический эффект на межподзонных переходах в квантовых ямах

  4. Ориентация спинов электрическим током

  5. Физика плазмон-поляритонов в двумерных наноструктурах

• Используемое оборудование

  1. Вакуумный широкополосный фурье-спектрометр Bruker Vertex 80v на диапазон 0.5-1000 мкм – для изучения спектров поглощения и эмиссии излучения среднего, дальнего инфракрасного и терагерцового диапазонов.

  2. Фотоприёмники с усилителями на инфракрасный и терагерцовый диапазоны (в том числе, высокочувствительный кремниевый болометр на терагерцовый диапазон, охлаждаемый жидким гелием, и малоинерционные детекторы в криостате замкнутого цикла – Ge:Ga и болометр на горячих электронах в InSb), необходимые для регистрации излучения дальнего, среднего инфракрасного и терагерцового диапазонов.

  3. Импульсный YAG:Nd лазер с удвоением частоты, непрерывные полупроводниковые лазеры – для оптической межзонной накачки структур и создания неравновесных носителей заряда.

  4. Непрерывный терагерцовый лазер на парах метанола и непрерывный лазер на углекислом газе для исследования поглощения излучения терагерцового и ИК диапазонов свободными электронами.

  5. Решеточный инфракрасный спектрометр Horiba Jobin Yvon, необходимый для характеризации образцов по спектрам фотолюминесценции ближнего инфракрасного диапазона.

  6. Осциллографы (в т.ч. цифровые LeCroy WavePro 715 Zi, Tektronix TDS2014, Agilent Technologies DSO 6034), генераторы импульсов сильного поля, источники питания и т.п., необходимые для проведения измерений.

  7. Фазочувствительные синхронные детекторы (Lock-in amplifier) SR830 с усилителями тока и напряжения SR570, SR560, необходимые для регистрации слабых выходных сигналов фотоприемников, а также импульсный синхронный детектор Boxcar SR250.

  8. Криостат замкнутого цикла Janis PTCM (Т=4-350 К), для проведения исследований поглощения света и эмиссии излучения из наноструктур при разных температурах.

   

• Публикации

  Публикации можно посмотреть, перейдя по следующим ссылкам:

  Google Scholar ID

  Google Scholar ID

  Google Scholar ID

  Google Scholar ID

   

• Достижения

  1. Исследованы спектры внутризонного фотоиндуцированного поглощения излучения в квантовых точках GeSi/Si с разным уровнем легирования. С помощью спектроскопии с временным разрешением найдены характерные времена, определяющие скорость процесса детектирования, связанные с процессами захвата и рекомбинации носителей заряда (R.V. Ustimenko, M.Ya. Vinnichenko, D.A. Karaulov, H.A. Sarkisyan, D.B. Hayrapetyan, D.A. Firsov. Effect of Doping and Interband Pumping on the Optical Properties of GeSi/Si Quantum Dot Nanostructures for Infrared Detectors. ACS Appl. Nano Mater. 7, 27245−27253 (2024). https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05251 IF =5.5, Q1, Scopus).

  2. Обнаружена и исследована зависимость интенсивности фотолюминесценции от угла между вектором поляризации излучения и направлением приложенного продольного электрического поля в слое слое GaAs. Показано, что такая анизотропия вызвана одновременным действием двух факторов: анизотропной деформацией функции распределения электронов по состояниям в k-пространстве и угловой зависимостью межзонного оптического матричного элемента. Определены температуры электронов и дырок в зависимости от электрического поля (V.A. Shalygin, I.S. Makhov, R.B. Adamov, M.Ya. Vinnichenko, V.P. Khvostikov, D.A. Firsov. Electric-field-induced polarization anisotropy of interband photoluminescence in GaAs. Journ. of Appl. Phys. 136(19), 195703 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0233573 IF 2.7, Q2, Scopus).

  3. Экспериментально подтверждена гипотеза об увеличении интенсивности примесного терагерцового излучения при пространственном разделении доноров и акцепторов в квантовых ямах GaAs/AlGaAs. Терагерцовое излучение возникает при захвате фотовозбужденных неравновесных электронов из зоны проводимости на примесные состояния (R.B.Adamov, G.A.Melentev, I.V.Sedova, S.V.Sorokin, G.V.Klimko, I.S.Makhov, D.A.Firsov, V.A.Shalygin. Terahertz photoluminescence in doped nanostructures with spatial separation of donors and acceptors. Journal of Luminescence. Volume 266, February 2024, 120302. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2023.120302 IF 3, Q2, Scopus).

  4. Детально исследована фотолюминесценция (ФЛ) в нитевидных нанокристаллах (ННК) на основе чистого InAs и гетероструктурированных ННК InAs/InP со структурой "ядро-оболочка". С помощью спектров ФЛ показано, что ННК формируются в политипной фазе "вюрцит-сфалерит". Показано, что неоднородность толщины оболочки кардинально влияет на механизм излучательной рекомбинации в ННК InAs/InP (V.Fedorov, M.Vinnichenko, R.Ustimenko, D.Kirilenko, E.Pirogov, A.Pavlov, R.Polozkov, V.Sharov, A.Kaveev, D.Miniv, L.Dvoretckaia, D.Firsov, A.Mozharov, I.Mukhin. Non-uniformly strained core-shell InAs/InP nanowires for mid-infrared photonic applications. ACS Appl. Nano Mater. 6(7) 5460-5468 (2023). https://doi.org/10.1021/acsanm.2c05575 IF =5.5, Q1, Scopus).

  5. Аналитическими методами теоретически исследованы оптические переходы в асимметричной двояковыпуклой линзообразной квантовой точке InAs во внешнем магнитном поле. Показано, что температура и магнитное поле существенно влияют на оптические свойства рассматриваемой наноструктуры (M.A. Mkrtchyan, D.B. Hayrapetyan, E.M. Kazaryan, H.A. Sarkisyan, M.Ya. Vinnichenko, V.A. Shalygin, D.A. Firsov and L.S. Petrosyan. Effect of an External Magnetic Field on the Interband and Intraband Optical Properties of an Asymmetric Biconvex Lens-Shaped Quantum Dot. Nanomaterials 12(1), 60 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12010060 IF 5.435, Q1, Scopus.).

  6. Разработана микроскопическая теория линейного по току и по волновому вектору света изменения показателя преломления структуры с квантовыми ямами в спектральной области межподзонного поглощения света. Явление впервые экспериментально обнаружено и исследовано (G.V.Budkin, I.S.Makhov, D.A.Firsov. The drag of photons by electric current in quantum wells. J. Phys.: Condens. Matter 33(16), 165301 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-648X/abdff7 IF 2.750, Q1, Scopus).

  7. Выполнены экспериментальные исследования и модельные расчеты пропускания терагерцового излучения пластиной 4H-SiC. Определены времена жизни и силы осциллятора поперечных сложенных акустических фононов (V.A. Shalygin, R.B. Adamov, M.D. Moldavskaya, M.Ya. Vinnichenko, D.A Firsov. Far-infrared spectroscopy of folded transverse acoustic phonons in 4H–SiC. Applied Physics Letters, 117 (20), 202105 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0031064 IF 3.808, Q1, Scopus.).

  8. Теоретически и экспериментально изучены равновесные спектры внутризонного поглощения поляризованного света в квантовых ямах GaAs/AlGaAs, легированных акцепторами. Особенности в спектрах поглощения связаны с оптическими переходами с участием примесных состояний. Их спектральное положение хорошо согласуется с расчетом, использующим метод конечных разностей для квантования гамильтониана Латтинжера-Кона. (M.Ya.Vinnichenko, I.S.Makhov, V.Yu.Panevin, L.E.Vorobjev, S.V.Sorokin, I.V.Sedova, D.A.Firsov. Acceptor-related infrared optical absorption in GaAs/AlGaAs quantum wells. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 124, 114301 (2020). https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.114301).

  9. Впервые в России экспериментально получено стимулированное излучение квантово-каскадных лазеров среднего ИК диапазона. Этот результат получен в рамках большой коллаборации, вклад в которую заключается в разработке методики и непосредственном экспериментальном обнаружении и исследовании спонтанного и стимулированного излучения из образцов квантово-каскадных лазеров, начиная с простых четырехсколотых образцов и заканчивая образцами с полосками различной геометрии и различной технологией построста (A.V.Babichev, D.A.Pashnev, A.G.Gladyshev, D.V.Denisov, G.V.Voznyuk, L.Y.Karachinsky, I.I.Novikov, M.I.Mitrofanov, V.P.Evtikhiev, D.A.Firsov, L.E.Vorob’ev, N.A.Pikhtin, A.Y.Egorov. Quantum-Cascade Lasers with a Distributed Bragg Reflector Formed by Ion-Beam Etching. Technical Physics Letters 46(4), 312-315 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063785020040033 IF 1.012, Q3, Scopus).

• Сотрудничество

  Отечественные партнеры:

  • ФТИ им. А.Ф.Иоффе
  • Институт физики микроструктур РАН
  • Академический университет им. Ж.И. Алферова
  • ООО «НМ-Тех»
  • ООО «Тидекс»
  • АО «Научное и технологическое оборудование» / SemiTEq
  • АО «Светлана-Рост»
  • АО "Полупроводниковые приборы"

  Зарубежные партнеры:

  • Российско-Армянский Университет (Армения),
  • Каршинский государственный университет (Узбекистан).