КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-22-10054
НазваниеСоздание высокоупорядочных массивов квантовых точек InAs в InGaAlAs матрице для создания лазера на 1.55 мкм
РуководительГуляев Дмитрий Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словаквантовые точки InAs, лазер на с распределенной обратной связью (DFB), фосфид индиевая подложка, капельная эпитаксия, цифровая эпитаксия, гетероструктура, радиофотоника
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Полупроводниковые источники лазерного излучения являются необходимым элементом для волоконно-оптических линий связи, оптических систем обработки информации и передачи информации и управления, оптических датчиков. Без использования лазерных источников невозможно создание радиофотоных схем, в которых вместо электронной обработки сигналов используются оптические технологии. Развитие указанных направлений электроники требует постоянного улучшения характеристик источников излучения: частотного диапазона, температурной стабильности, мощности и т.д. Наиболее перспективной средой на основе которой лазеры способной достичь максимальных характеристик являются квантовые точки (КТ). Для ее реализации требуется создание массивов КТ с высокой плотностью, характеризующихся однородным распределением по размерам и симметричной геометрией. Однако, для длины волны 1.55 мкм, соответствующей минимальным оптическим потерям в оптоволокне, эта проблема остается так до конца не решенной в отношении размеров, анизотропии формы, структурного совершенства и плотности КТ.
Для решения этой проблемы в проекте планируется исследовать механизмы формирования плотных массивов симметричных InAs квантовых точек (КТ) на поверхности InGaAlAs твердых растворов с естественными стрессорами, сформированными непосредственно в процессе эпитаксиального роста, а именно с наноямок. Планируется исследовать возможности двух различных способов формирования наноямок на поверхности InGaAlAs для последующего осаждения КТ. Во-первых, это формирование наноямок методом локального капельного травления. Во-вторых, это формирование наноямок за счет отклонения от ростовых условий, исключающих формирование дефектов кристаллической решетки. В обоих случаях планируется исследовать возможность зарождения в таких наноямках симметричных InAs квантовых точек (КТ) методом капельной эпитаксии. В перспективе такой подход к формированию КТ должен обеспечить одновременно и повышение однородности и формирование InAs КТ заданного размера и формы – устранив, таким образом, главную причину, препятствующую применению лазеров на КТ в промышленности – широкий спектр распределения их размеров. Планируется изучить кристаллическую структуру, энергетический спектр и механизмы рекомбинации неравновесных носителей заряда в КТ и определить условия роста КТ с максимальной эффективностью люминесценции. Рассчитать конструкцию, изготовить и исследовать характеристики лазеров на основе гетероструктур с КТ.
Ожидаемые результаты
- Разработана модель формирования наноямок на InAlAs поверхности, учитывающая кинетические и термодинамические особенности процессов роста;
- Определен оптимальный состав смачивающего подслоя улучшающего рекомбинационные свойства InAs/InGaAlAs КТ;
- Разработана модель зарождения InAs/InGaAlAs квантовых точек в наноямках при миграционно-усиленной эпитаксии, учитывающая кинетические и термодинамические особенности процессов роста;
- Установлено влияние кристаллической структуры на энергетический спектр и люминесцентные свойства InAs/InAlAs КТ;
- Определены оптимальные условия роста InAs/InGaAlAs/InP лазерных гетероструктур c КТ, отличающиеся высоким структурным совершенством и эффективностью люминесценции;
- Определены оптимальные условия постростового отжига InAlAs/InP лазерных гетероструктур c InAs КТ, повышающие эффективностью их люминесценции;
- Рассчитана конструкция лазера на основе выращенных InGaAlAs/InP гетероструктур с InAs КТ;
- Определены характерные значения коэффициентов оптического усиления в InGaAlAs/InP лазерных гетероструктурах с InAs КТ;
- Установлены характерные значения параметров лазера.
Полученные при выполнении проекта фундаментальные знания имеют большой инновационный потенциал. Информация о ростовых процессах, формировании InAs КТ в наноямках на поверхности InGaAlAs слоев позволит улучшить параметры лазеров на фосфиде индия на диапазон 1.55 мкм.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках выполнения проекта в 2023 году были проведены работы по поиску способов управления свойствами массивов самоорганизующихся полупроводниковых квантовых точек (КТ) со спектром излучения вблизи 1.55 мкм. В качестве такого способа предложено использовать особенности морфологии эпитаксиальных слоев InxAl1 xAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках InP. Было показано, что механические напряжения, возникающие при формировании намеренно рассогласованных по постоянной решетке слоев тройного раствора на подложке фосфида индия, влияют на свойства однородного массива наноямок. В результате латеральные размеры/глубина наноямок на поверхности InAlAs оказываются прямо пропорциональны разнице между толщиной выращенного слоя и критической толщиной слоя для данного состава с множителем 1.5/0.01 соответственно. Предварительно показано, что локальное капельное травление способно приводить к увеличению глубины наноямок на поверхности InAlAs слоя. Установлено, что наноямки на поверхности InAlAs по своему составу отличаются от остального тройного расплава, а именно обогащены индием. В этом случае формирование ямки на поверхности может быть объяснено меньшей скоростью эпитаксиального роста данной индий обогащенной области тройного раствора из-за сегрегации In и разницы десорбции In и As при используемых температурах роста выше 500 С.
Методом капельной эпитаксии на поверхности InAlAs слоя покрытого наноямками сформированы КТ InAs. Плотность выращенных КТ составила 107 см-2, что коррелирует с исходной плотностью наноямок в используемых ростовых условиях. Латеральные размеры КТ составили 150-300 нм, а их вертикальные размеры 10-15 нм. Минимальная ширина полосы излучения на полувысоте в 80 мэВ была продемонстрирована КТ с максимумом спектра излучения вблизи 1.6 мкм. Показано, что оптимальным с точки зрения повышения интенсивности люминесценции КТ является отжиг образцов при температуре 650 С.
Публикации
1. Гуляев Д.В., Дмитриев Д.В., Торопов А.И., Пономарев С.А. и Журавлев К.С. ОДНОРОДНЫЙ МАССИВ НАНОЯМОК НА ПОВЕРХНОСТИ InAlAs СЛОЕВ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ НА InP (001) ПОДЛОЖКЕ Автометрия, - (год публикации - 2023)
2. - Потфель для ученого Ведомости Законодательного собрания Новосибирской области, №20, с.13, 17 мая 2023 (год публикации - )