НИФТИ ННГУ приглашает Вас принять участие в работе VII Всероссийской конференции и школы молодых ученых и специалистов «Физические и физико–химические основы ионной имплантации», которая состоится с 7 по 9 ноября 2018 года в Нижегородском государственном университете имени Н.И. Лобачевского (ННГУ).

Читать далее
10.06.2018

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2014-2016 гг. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Читать далее
16.11.2016

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2014-2016 гг. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

 

Читать далее
16.11.2016

17 июня 2016 г. (пятница) в 16:20 в конференц-зале НИФТИ ННГУ состоится расширенный семинар отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ и кафедры физического материаловедения ННГУ по материалам диссертации Малова В.С. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Приглашаются все желающие!

Читать далее
16.06.2016

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2015 г. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Читать далее
26.04.2016

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.