Название:Разработка и создание полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур с квантовыми ямами на подложках GaAs, излучающих в диапазоне длин волн 1200 - 1600 нм
Грантодатель:Контракты ФЦП
Критическая технология:технологии создания электронной компонентной базы
Приоритетное направление:индустрия наносистем и материалов
Ключевые слова:азерные гетероструктуры; компенсирующие слои; сильнонапряженные квантовые ямы; буферные слои; искусственные подложки; МОС-гидридная эпитаксия
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Пихтин,НА
Подразделения:
Код проекта:П2508
Финансирование 2009-11 г.:3000000
Исполнители: Соколова,ЗН: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Слипченко,СО: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Станкевич,АЛ: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Винокуров,ДА: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Фетисова,НВ: None
Шамахов,ВВ: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Подоскин,АА: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Шашкин,ИС: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)
Атращенко,АВ: лаб. полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Пихтина,НА)

Цель исследования

Целью данной работы является разработка технологических и конукторских подходов для создания длинноволновых лазеров на подложках GaAs, излучающих в диапазоне длин волн 1200–1600 нм, которые могут стать альтернативой лазерам полученным на подложках InP.

Наименование разрабатываемой научной продукции

Определены технологические параметры и дизайн метаморфного буферного слоя InGaAs (искусственная подложка) обеспечивающие плотность прорастающих дислокаций на поверхности буферного слоя меньше 106 см-2.

Изготовлены и экспериментально исследованы гетероструктуры с сильно напряженной квантовой ямой InGaAs, выращенные на искусственной подложке.

Изготовлены и экспериментально исследованы лазерные диода с сильнонапряженной квантовой ямой InGaAs, полученные из гетероструктур выращенных на искусственной подложке.

Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции

    • Были экспериментально определены технологические параметры и дизайн искусственной подложки InGaAs. Было установлено, что наилучшие результаты по плотности прорастающих дислокаций дает линейно–градиентный буферный слой InхGa1-хAs (начальный состав х = 0.1, конечный состав х = 0.4) толщиной 1 мкм с тремя 50 Å вставками GaAs, выращенный при температуре 450˚С. В таком буферном слое удалось достичь плотности прорастающих дислокаций 7*105 см-2.

    • Подобраны технологические режимы и параметры гетероструктуры, выращенной на искусственной подложке, которые обеспечивали бы максимальную длину волны излучения.

    • Исследованы характеристики лазерных диодов с сильнонапряженной квантовой ямой InGaAs, выращенных на искусственной подложке. С лазеров с апертурой 20 мкм была получена в непре-рывном режиме генерации максимальная выходная мощность 11 мВт. Длина волны излучения лазерного диода составила 1470 нм.

    • Проведен анализ результатов по результатам всего проекта. Установлено, что лазерные диоды в диапазоне длин волн 1150–1250 нм, выращенные на подложке GaAs, являются конкурентоспособными с аналогичными лазерами, полученными на подложках InP и обладают более высокими мощностными характеристиками. Лазеры более длинноволнового диапазона на подложке GaAs можно получить только при использовании искусственных подложек. Однако лазеры, полученные на искусственных подложках обладают параметрами более низкими, чем их аналоги на подложках InP. Это связано с тем, что плотность прорастающих дислокаций на поверхности искусственной подложки меньше 106 см-2 является не достаточной для создания эффективного лазерного диода. Для получения эффективного лазера необходимо искать пути дальнейшего снижения плотности прорастающих дислокаций до значений аналогичных как для подложек GaAs и InP выпускаемых промышленностью.

    • По результатам исследований в рамках проекта опубликовано 3 статьи.
    Все проведенные работы и полученные результаты соответствуют требованиям, указанным в ТЗ.
  • Проведенные исследования позволили оценить влияние технологических параметров и дизай на искусственной подложки на плотность прорастающих дислокаций. Это позволило создать искусственную подложку с плотностью прорастающих дислокаций меньше 106 см-2. Полученные данные являются новым вкладом в создание искусственных подложек, т.к. в литературе известны в только данные для искусственных подложек, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, а в нашем случае использовалась МОС-гидридная эпитаксия. Подобраны технологические режимы и параметры лазерной гетероструктуры, обеспечивающие максимальную длину волны излучения. Данные исследования позволили продвинуться на подложках GaAs при использовании искусственной подложки в длинноволновую область излучения до 1470 нм при использовании гетероструктуры с квантовой ямой. В рамках всего проекта представлены различные подходы для продвижения в длинноволновую область в лазерах на подложках GaAs. Показано влияние технологических режимов и ограничения для этих подходов. Показано, что лазерные диоды в диапазоне 1100–1240 нм являются конкурентоспособными с лазерами на подложках InP. Для диапазона более 1240 нм они обладают более низкими характеристиками по сравнению с лазерами на подложках InP. Определены причины такого результата.

  • Для экспериментальных исследований была разработана технология эпитаксиального выращивания на установке МОС-гидридной эпитаксии «Emcore GS 3100» искусственной подложки с плотностью прорастающих дислокаций меньше 106 см-2 и получения на ней гетероструктур с сильнонапряженной квантовой ямой.

    В ходе исследований было установлено, что для данной технологической установки при использовании в качестве источников триэтилгаллия (Ga(C2H5)3), триметилаллюминия (Al(CH3)3), триметилиндия (In(CH3)3) и арсина (AsH3) температура эпитаксии, которая позволяет получить искусственную подложку с плотностью прорастающих дислокаций меньше 106 см-2, составляет 450ºС, а для получения лазерной гетероструктуры с высокими кристаллическим совершенством и квантовым выходом, составляет 625ºС.

    Фотолюминесцентные исследования показали, что использование лазерной гетероструктуры на искусственной подложке позволяет сдвинуться в длинноволновую область до 1440 нм.

    За все время проведения проекта были разработаны так же технологии получения лазерных гетероструктур с максимальной длиной волны излучения с сильнонапряженной квантовой ямой и с сильнонапряженной квантовой ямой помещенной в компенсирующие слои, выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии.

  • На основании проведенных исследований в рамках проекта были выращены лазерные гетероструктуры и из них изготовлены лазерные диоды. Были получены следующие результаты:

    • за счет подбора технологических режимов удалось получить лазерные диоды с сильнонапряженной квантовой ямой InGaAs излучающие на длине волны 1190 нм. Данные лазерные диоды имели внутренние оптические потери равные 0.71 см-1 и максимальную оптическую мощность в непре- рывном режиме генерации 5.5 Вт на одно зеркало.

    • за счет подбора компенсирующих слоев GaAsP вблизи квантовой ямы InGaAs удалось получить лазерные диоды с длиной волны 1240 нм. Данные лазерные диоды имели внутренние оптические потери равные 1.1 см-1 и максимальную оптическую мощность в непрерывном режиме генерации 5 Вт.

    • за счет подбора технологических режимов и дизайна искусственной подложки на ней удалось получить лазерный диод с сильнонапряженной квантовой ямой InGaAs с длиной волны излучения 1470 нм. Данные лазерные диоды имели внутренние оптические потери равные 25.9 см-1 и максимальную оптическую мощность в непрерывном режиме генерации 11 мВт на одно выходное зеркало.