Коллектив молодых ученых под руководством д.ф.-м.н. Дорохина М.В. стал победителем конкурса РФФИ ("Стабильность")
Объявление о семинаре М.А. Моховикова (Белорусский государственный университет)
Молодые ученые НИФТИ ННГУ стали лауреатами Стипендий им. академика Г.А. Разуваева на 2019/2020 учебный год!
ННГУ вошёл в международный рейтинг 2020 THE World University Rankings by subject по направлению «Физические науки»
РФФИ поддержал международный проект под руководством проф. Тетельбаума Д.И. в области перспективных полупроводниковых материалов
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.
|
Лазерные диоды, изготовленные в НИФТИ ННГУ |
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.
|
Ватт-амперная характеристика и зависимость КПД от тока накачки в непрерывном режиме генерации InGaAs/GaAs/AlGaAs лазерного диода с длиной волны излучения 0.99 мкм |
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].
|
Внешний вид двухчипового полупроводникового лазера, предназначенного для генерации разностной частоты |
|
Спектр генерации разностной частоты двухчипового полупроводникового лазера. На вставке основные линии генерации двухчипового полупроводникового лазера, обеспечивающие генерацию разностной частоты |
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.
|
а) Схематическое изображение гетероструктуры с квантовыми точками InAs/GaAs; б)Топография поверхности образца с нанокластерами InAs на GaAs. |