Получение и исследование сложных наногетероструктур на основе бинарных полупроводников А³В⁵

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория эпитаксиальной технологии

1. Разработка технологии создания полупроводниковых устройств на основе полупроводников А³В⁵ и A⁴ (лазерные и светоизлучающие диоды ближнего и среднего ИК диапазонов, фотоприемные и резистивные элементы; оптические пары)

2. Исследование нелинейных оптических явлений в волноводах гетеролазеров на основе полупроводников А³В⁵

3. Исследование оптических и электронных свойств гетероструктур на основе полупроводников А³В⁵ и A⁴ с наноразмерными слоями (квантовыми ямами, квантовыми точками).

1. Разработка технологии создания полупроводниковых устройств на основе полупроводников А³В⁵ и A⁴

(лазерные и светоизлучающие диоды ближнего и среднего ИК диапазонов, фотоприемные и резистивные элементы; оптические пары)

     Одним из основных направлений научной деятельности Лаборатории эпитаксиальной технологии является разработка технологии создания полупроводниковых устройств на основе полупроводников А³В⁵ и A⁴. Это направление включает в себя разработку и исследование лазерных и светоизлучающих диодов ближнего и среднего ИК диапазонов, фотоприемных и резистивных элементов; разработку оптических пар.

     Благодаря успехам сотрудников группы эпитаксиальной технологи НИФТИ в освоении эпитаксиального роста InGaAs/GaAs/InGaP материалов с 1993 года в лаборатории осуществляется изготовление опытных образцов многомодовых полупроводниковых лазеров. Процесс изготовления был описан в работе [1]. Уже в 1994 году полупроводниковые лазеры, изготовленные в лаборатории эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ, использовались при разработке приборов медико-биологического назначения. В частности, специалистами фирмы «Современная технология и производство» («СТП», г. Нижний Новгород) был разработан прибор, позволяющий использовать лазерное инфракрасное излучение для лечения животных.

     Большое внимание было уделено реализации одномодового режима генерации и новых путей управления спектром и диаграммой направленности полупроводниковых лазеров. Например, были изготовлены и исследованы одномодовые лазерные диоды с гребенчатым волноводом [1]. Одномодовый режим генерации с узкой диаграммой направленности удалось получить на инжекционных лазерах с трапециевидной активной областью [2]. Разработан и экспериментально исследован полупроводниковый лазер на структуре InGaAs/GaAs/InGaP с выходом излучения через подложку, позволяющий получить узкую диаграмму направленности в перпендикулярной p-n-переходу плоскости [3]. Была получена значительная мощность в пучке с расходимостью излучения в этой плоскости 1.2°.

     Реализация полупроводниковых лазеров с туннельно-связанными волноводами позволила сузить диаграмму направленности в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, сохранив при этом высокий коэффициент оптического ограничения волны в волноводе [4]. Для получения однолепестковой диаграммы направленности в этой плоскости использован способ, основанный на различии коэффициентов оптического ограничения и оптических потерь для основной и высших поперечных мод. Дальнейшая оптимизация полупроводниковых InGaAs/GaAs/InGaP лазеров с туннельно-связанными волноводами позволила получить мощность излучения 5.2 – 5.8 Вт в излучающей области шириной 100 мкм при расходимости излучения в перпендикулярной p-n-переходу плоскости 36° [5].

Применение внешнего резонатора с наклонным падением излучения на волноводно-решеточное зеркало позволило существенно (до 0.1 нм) сузить спектр генерации широкоапертурного полупроводникового лазера, а также реализовать перестройку длины волны излучения в пределах линии люминесценции лазерного диода [6]. В работе [7] экспериментально показана возможность получения узкополосного лазерного излучения и управления длиной волны генерации гетеролазера с выходом излучения в подложку при применении эффекта аномального отражения от внешнего волноводно-решеточного зеркала.

В рамках федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации» в НИФТИ ННГУ в августе 2008 года была введена в строй установка ГФЭ МОС «AIXTRON», которая позволила значительно расширить возможности эпитаксиального роста наногетероструктур. В частности, появилась возможность использовать в лазерах в качестве широкозонных слоев с низким показателем преломления не только твердые растворы InGaP, но и твердые растворы AlGaAs. На установке ГФЭ МОС «AIXTRON» на сегодняшний день изготавливаются опытные образцы полупроводниковых лазеров с алюминий-содержащими эпитаксиальными слоями.

2. Исследование нелинейных оптических явлений в волноводах гетеролазеров на основе полупроводников А³В⁵

     В настоящее время научные разработки ведутся в направлении расширения частотного диапазона, улучшения «качества» излучения, увеличения мощности и повышения надежности лазеров. Возможность в одном полупроводниковом лазере использовать не одну, а несколько активных областей (квантовых ям) позволяет осуществить генерацию на двух и более частотах одновременно. Такие двухчастотные лазеры за счет нелинейных процессов смешения лазерных мод, могут генерировать разностные частоты. Диапазон излучения при этом существенно может быть увеличен в длинноволновую область. Другими словами полупроводниковые лазеры могут стать источниками среднего и дальнего ИК диапазонов, где в настоящее время очень мало эффективных излучателей. Впервые принципиальная возможность генерации разностной частоты продемонстрирована на двухчиповом (состыкованном) полупроводниковом лазере, созданном в НИФТИ ННГУ [8,9].

Список литературы:

[1] Лазеры с длиной волны излучения 0,98 мкм на основе гетероструктуры InGaP/GaAs/InGaAs, выращенной методом МОС-гидридной эпитаксии / И.А. Авруцкий, Л.М. Батуков, Е.М. Дианов, Б.Н. Звонков, Г.А. Максимов, И.Г. Малкина, Л.В. Медведев, Т.Н. Янькова // Квантовая электроника. –  1994. – Т. 21, № 10. – С. 921-924.

[2] Одномодовый режим генерации инжекционных лазеров с трапециевидной активной областью / И.А. Авруцкий, С.А. Ахлестина, Е.М. Дианов, Н.Б. Звонков, Е.Р. Линькова, Г.А. Максимов // Квантовая электроника. – 1996. – Т.23, № 8. – С.701-703

[3] Полупроводниковые лазеры на длину волны 0,98 мкм с выходом излучения через подложку / Н.Б. Звонков, Б.Н. Звонков, А.В. Ершов, Е.А. Ускова, Г.А. Максимов // Квантовая электроника. – 1998. – Т.25, № 7. – С. 622-624.

[4] Полупроводниковые лазеры на длину волны 980 нм с туннельно-связанными волноводами / И.А. Авруцкий, Е.М. Дианов, Б.Н. Звонков, Н.Б. Звонков, И.Г. Малкина, Г.А. Максимов, Е.А. Ускова // Квантовая электроника. -  1997. – Т.24, № 2. – С. 123-126

[5] Полупроводниковые лазеры на длину волны 980 нм с широкими туннельно-связанными волноводами / Н.Б. Звонков,  С.А. Ахлестина, А.В. Ершов, Б.Н. Звонков, Г.А. Максимов, Е.А. Ускова // Квантовая электроника. – 1999. – Т.26, № 3. – С. 217-218.

[6] Перестраиваемый широкоапертурный полупроводниковый лазер с внешним волноводно-решёточным зеркалом / Б.Н. Звонков, К.Е. Зиновьев, Д.Х. Нурлигаеев, И.Ф. Салахутдинов, В.В. Светиков, В.А. Сычугов // Квантовая электроника. – 2001. – Т.31, № 1. – С. 35-38.

[7] Tunable Wide-Aperture Semiconductor Laser with an External Waveguide-Grating Mirror / V.A. Sychugov, D.Kh. Nurligareev, V.V. Svetikov, I.F. Salakhutdinov, B.N. Zvonkov, N.V. Baidus, S.M. Nekorkin, H.Y.W.M. Hoekstra // Laser Physics. – 2002. – Vol. 12, № 2. – P. 691- 696.

[8] Room-temperature intracavity difference-frequency generation in butt-joint diode lasers / B.N.Zvonkov, A.A.Biryukov, A.V.Ershov, S.M.Nekorkin, V.Ya.Aleshkin, V.I.Gavrilenko, A.A.Dubinov, K.V.Maremyanin, S.V.Morozov, A.A.Belyanin, V.V.Kocharovsky, and Vl.V.Kocharovsky // Appl.Phys.Lett. -  2008. – Vol.92, - P. 021122.

[9] Генерация излучения разностной частоты в двухчиповом лазере / Б.Н.Звонков, А.А.Бирюков, С.М.Некоркин, В.Я.Алешкин, В.И.Гавриленко, А.А.Дубинов, К.В.Маремьянин, С.В.Морозов // ФТП. –  2009. – Т.43, вып.2. – С. 220-223.

3. Получение и исследование структур с квантовыми точками в системе InAs/GaAs

      В последние годы интенсивно исследуются полупроводниковые структуры с гетеровключениями нанометровых размеров, в которых проявляется размерное квантование электронного газа. Квантово-размерные гетероструктуры (КРС) привлекают к себе внимание благодаря уникальным физическим свойствам и широким возможностям технического применения в оптоэлектронике, в частности для создания светодиодов и лазеров с улучшенными характеристиками. Особенно большой интерес вызывают КРС с квантовыми точками (КТ), в которых электроны обладают полностью дискретным квазиатомным энергетическим спектром. Такой интерес обусловлен тем, что, например, лазеры, использующие в качестве активной области массив КТ, обладают более выгодными по сравнению с лазерами на квантовых ямах (КЯ) свойствами: более низкой пороговой плотностью тока (менее 40 А/см²) и сверхвысокой температурной стабильностью (характеристическая температура более T₀ = 150 K), гигантским коэффициентом максимального удельного усиления материала (дифференциальная эффективность более 88%), улучшенными частотными характеристиками, повышенной радиационной стойкостью и др. Одной из наиболее интересных и широко изучаемых систем этого типа является КРС с самоорганизованными КТ In(Ga)As/GaAs, которые образуются при гетероэпитаксиальном выращивании слоя In(Ga)As в матрице GaAs из-за большого рассогласования кристаллических решеток гетеропары.

     Относительная простота и экономические достоинства, особенно ценные при массовом производстве структур, а также некоторые особенности массивов КТ, способствуют развитию метода газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) для выращивания массивов КТ. К особенностям можно отнести, например, малую, по сравнению со структурами, выращенными альтернативным методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), энергию основного перехода КТ. В методе МПЭ она достигается лишь при выращивании массивов вертикально связанных КТ, что приводит к уменьшению суммарной поверхностной концентрации КТ (так как в этом случае излучают не отдельные КТ, а квантовые молекулы, состоящие из десятков слоев вертикально связанных КТ) и сильному усложнению технологии выращивания КРС.

      Существуют две модификации метода ГФЭ МОС, отличающиеся друг от друга давлением водорода (газа носителя паров МОС) в реакторе при росте гетероструктуры: при атмосферном давлении водорода (ГФЭ МОС АДВ) и при пониженном давлении водорода (ГФЭ МОС ПДВ).

     В Лаборатории эпитаксиальной технологии с начала 2000-х гг. изучаются гетероструктуры с КТ In(Ga)As/GaAs, полученные методом ГФЭ МОС АДВ. За это время накоплен богатый опыт выращивания и исследования наногетероструктур на основе GaAs, имеются определенные достижения в развитии технологии ГФЭ МОС АДВ, что позволяет выращивать уникальные наногетероструктуры, излучающие в широком диапазоне длин волн 1.2 - 1.7 мкм, с возможностью тонкой регулировки положения линии излучения за счет изменения параметров роста слоев КТ In(Ga)As и толщины покровного слоя GaAs. Однако достижение максимальных длин волн излучения (более 1.5 мкм) возможно в гетероструктурах с таким тонким покровным слоем GaAs (20 нм и менее), при котором становится затруднительным технологическое создание p-n перехода. В связи с этим нами впервые была сформирована светодиодная наноструктура с изотипным (n-типа) гетеропереходом, особенностью которой является то, что активный слой, содержащий КЯ и/или КТ GaAs/In(Ga)As, размещается в области пространственного заряда барьера Шоттки. На данный момент в такой конструкции нам удалось получить инжекционную электролюминесценцию высокой интенсивности в интервале 1.3-1.55 мкм.