Создание высокоупорядочных массивов квантовых точек InAs в InGaAlAs матрице для создания лазера на 1.55 мкм

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 проекта 23-22-10054

НазваниеСоздание высокоупорядочных массивов квантовых точек InAs в InGaAlAs матрице для создания лазера на 1.55 мкм

Руководитель Гуляев 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

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 слова квантовые 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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. Гуляев Д.В., Абрамкин Д.С., Дмиитриев Д.В., Торопов А.И., Колосовский Е.А., Пономарев С.А., Курусь Н.Н., Милехин И.А., Журавлев К.С. Nature of the Pits on the Lattice-Matched InAlAs Layer Surface Grown on the (001) InP Substrate Nanomaterials, 14, 1842 (год публикации - 2024)
10.3390/nano14221842

3. Александров И.А., Гуляев Д.В., Колосовкий Е.А., Журавлев К.С. Effect of biaxial strain on the binding energies of adsorbed In and Al atoms on (001) surfaces of InAs and AlAs Monte Carlo Methods and Applications , v. 30, № 4, p. 431–436 (год публикации - 2024)
10.1515/mcma-2024-2023

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках выполнения проекта в 2024 проведены работы направленные на получение массивов InAs КТ повышенной однородности с высокой плотностью, которые можно использовать в активной области лазера для генерации 1.55 мкм излучения и оптимизацию условий роста лазерных гетероструктур с КТ. С помощью атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и фотолюминесцентной спектроскопии исследованы зависимости морфологии и энергетического спектра квантовых точек (КТ) от ростовых условий, толщины осаждаемого слоя. 1) Установлено, что при капельном травлении с увеличением времени прерывания роста после повышения температуры до 520-530 С в отсутствие потока As - InAlAs поверхность корригирует с формированием однородного массива кристаллических наноостровков с повышенным содержанием Al в своем составе, латеральными размерами до 50 нм и высотой до 6 нм. 2) Продемонстрированы однородные массивы КТ, сформированные по методу Странского-Крастанова в In0.53Ga0.235Al0.235As матрице с применением In-flush методики, с плотностью 2е10 см-2, максимумом излучения на 1.55 мкм и шириной полосы на полувысоте в 80 мэВ при комнатной температуре. 3) Определен оптический коэффициент усиления в лазерных структурах с волноводной областью, содержащей массивы InAs квантовых точек с плотность 2е10 см-2, составивший около 6 см-1 на слой квантовых точек. Помимо этого, в 2024 году продолжены работы, направленные на определение механизма образования наноямок на поверхности InAlAs при стандартной молекулярно-лучевой эпитаксии. В результате 1) Обнаружено, что под ямкой формируется обедненный по In (до 0.7 %) кластер тройного раствора InAlAs. Предложена модель, в которой образование поверхностных ям и кластеров состава обусловлено влиянием локального поля деформации в окрестности ядра дислокации на кинетику встраивания адатомов In. Из данной модели определена величина снижения десорбционного барьера для адатомов In в окрестностях дислокации, составившая около 30 мэВ. 2) С использованием теории функционала плотности исследована зависимость энергий связи адсорбированных атомов In и Al на поверхности (001) InAs и AlAs c реконструкцией β2(2×4) от деформаций биаксиального сжатия и растяжения. Построены карты поверхности потенциальной энергии адсорбированного атома In на поверхности (001) InAs и AlAs c реконструкцией β2(2×4). По результатам расчетов наблюдается общий тренд на увеличение абсолютных значений энергии связи адсорбированных атомов In и Al на поверхности (001) InAs и AlAs при увеличении деформации биаксиального растяжения. Для отдельных положений адсорбированных атомов наблюдается изменение знака производной зависимости энергии связи от величины биаксиальной деформации при изменении симметрии адсорбированного состояния атома.

Публикации