Регистрация / Вход
Прислать материал

Полупроводниковые наногетероструктуры А3В5 для вертикально-излучающих лазеров ближнего ИК-диапазона

Докладчик: Блохин Сергей Анатолевич

Должность: Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Новое поколение компактных источников лазерного излучения ближнего ИК-диапазона c вертикальным оптическим микрорезонатором, т.н. вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ) находят широкое применение в сверхскоростных меж- и внутрисистемных каналах оптической связи (локальные сети, суперкомпьютеры, бортовая аппаратура), сверхминиатюрных атомных стандартах частоты и компактных квантовых магнитометрических датчиках. Однако отсутствие отечественной технологии изготовления ВИЛ сильно ограничивает внедрение таких лазеров в отечественные разработки аппаратуры различного типа (ввиду отсутствия базовой технологии синтеза и диагностики соответствующих полупроводниковых наногетероструктур). С учетом существующей политики ограничений на передачу передовых разработок в РФ, данная проблематика представляется крайне актуальной и стратегически важной задачей. Данный проект направлен на решение данной проблемы. Ключевой целью проекта является разработка вариантов конструкций, базовой технологии синтеза методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МЭП) и методов диагностики параметров полупроводниковых наногетероструктур А3В5 для вертикально-излучающих лазеровближнего ИК-диапазона.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках настоящего проекта предполагается достижение основных результатов:
1. разработка эскизной конструкторской и технологической документации на технологию МПЭ-синтеза наногетероструктур A3B5 для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм
2. изготовление серии экспериментальных образцов наногетероструктур A3B5 для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм, удовлетворяющих следующим критериям:
- размер (диаметр) подложек - не менее 76 мм
- материал эпитаксиальных слоев – AlGaAs-InGaAs
- среднее значение резонансной длины волны в диапазоне 840-895нм или 950-1060 нм
- допустимое отклонение от проектного значения резонансной длины волны в пределах площади подложки - не более ±5 нм
- отклонение среднего значения резонансной длины волны для двух наногетероструктур, изготовленных в последовательно выполненных технологических процессах - не более ±5 нм
- плотность поверхностных дефектов с линейными размерами более 1 мкм – не более 500 см-²
3. разработка эскизной конструкторской документации на тестовые кристаллы вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм
4. разработка лабораторного технологического процесса изготовления тестовых кристаллов вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм
5. изготовление серии тестовых кристаллов вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм, удовлетворяющих следующим критериям:
- длина волны генерации в спектральном диапазоне 840-895нм или 950-1060 нм
- пороговый ток не более 2 мА
- средняя мощность излучения в многомодовом режиме генерации не менее 3 мВт
- возможность лазерной генерации в непрерывном режиме в диапазоне температур 20-85°С без принудительного охлаждения

Для достижения цели настоящего проекта необходимо решить ряд взаимосвязанных задач:
1. Поиск оптимальных вариантов конструкции полупроводниковых наногетероструктур A3B5 для ВИЛ ближнего ИК-диапазона исходя из предполагаемой специфики использования создаваемых на их основе лазерных излучателей
2. Оптимизация технологических режимов синтеза активных областей вертикально-излучающих лазеров на основе напряженных квантоворазмерных наногетероструктур A3B5 методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием широкого набора методов анализа структурных, электрофизических и оптических характеристик
3. Оптимизация технологических режимов и разработка базовой технологии молекулярно-пучковой эпитаксии синтеза полупроводниковых многослойных наногетероструктур A3B5 c вертикальными оптическими микрорезонаторами
4. Разработка методов диагностики полупроводниковых многослойных наногетероструктур A3B5 c вертикальными оптическими микрорезонаторами, в том числе неразрушающих способов определения толщины и состава слоев структур с распределенными брэгговскими отражателями
5. Разработка маршрута и отработка ключевых операций лабораторного технологического процесса изготовления тестовых кристаллов вертикально-излучающих лазеров
6. Приборная апробация разработанных полупроводниковых многослойных наногетероструктур A3B5 c вертикальными оптическими микрорезонаторами

Предлагаемый путь достижения основной цели проекта полностью соответствует технологическому циклу разработки вертикально-излучающих лазеров, ведущиеся в ряде зарубежных ведущих университетов (Chalmers Universtiy, University of California, Ulm University of Technology, Technical University of Berlin) и научных отделах передовых компаний (Finisar, ULM Photonics, Avago, Emcore), что позволяет ожидать достижения технических характеристик по совокупности не уступающей передовому мировому уровню.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработка оптимальных вариантов конструкции и технологии молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводниковых наногетероструктур A3B5 для вертикально-излучающих лазеров ближнего ИК-диапазона, предполагаемая в рамках проекта, открывает широкие перспективы по созданию широкого спектра отечественных компактных источников лазерного излучения для сверхскоростной оптоволоконной передачи данных в информационно-вычислительных системах и комплексах бортовой радиоэлектронной аппаратуры, специализированных источников лазерного излучения для компактных атомных стандартов частоты в помехоустойчивых системах связи и инерциальных навигационных системах, для магнитометрических датчиков в мобильных системах геологоразведкии обнаружения взрывоопасных предметов, источников накачки твердотельных лазеров и подсветки целей (в матричном исполнении).
Потенциальными потребителями результатов проекта являются отечественные предприятия, специализирующиеся в области изготовления полупроводниковых гетероструктур A3B5 для приборов оптоэлектроники и СВЧ-электроники (ОАО «Полюс», ЗАО «Элма-Малахит», ООО «Коннектор Оптикс»). Проект также открывает возможности для создания отечественной технологии производства вертикально-излучающих лазеров и матричных излучателей на их основе на базе профильных предприятий электронной промышленности (ОАО «ОКБ Планета», ОАО «НПП «Салют», ЗАО «Светлана-Электронприбор», ОАО «НПП «Полюс» и др.). Интерес к разработке отечественной технологии вертикально-излучающих лазеров ближнего ИК-диапазона предварительно подтвержден рядом отечественных организаций: ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», ЗАО «Центр ВОСПИ», ОАО «Российский институт радионавигации и времени», ОАО «НПП «Салют», ОАО «Концерн «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР». Следует отметить, что предпосылками для успешного внедрения результатов разработки в производство является непосредственно участие в проекте в качестве соисполнителя одного из потенциальных промышленных производителей гетероструктур для ВИЛ (ООО «Коннеткор Оптикс») и наличие промышленного партнера, заинтересованного в разработке технологии кристаллов быстродействующих ВИЛ и устройств на их основе (ОАО «ОКБ Планета»).
В целом выполнение настоящего проекта позволит существенно развить научно-технический комплекс страны в области высоких технологий, а также обеспечить внутренних потребителей стратегически важными компактными источниками лазерного излучения с уникальными характеристиками.

Текущие результаты проекта:
На текущий отчетный период получены следующие ключевые результаты:
1. Разработан метод математического моделирования квантово-размерных наногетероструктур активной области для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм. В качестве базовой конструкции квантово-размерных наногетероструктур выбраны двумерные квантовые ямы GaAs/AlGaAs, InGaAs/AlGaAs, InGaAs/GaAs. Проведено численное моделирование зонной структуры и выбраны базовые параметры квантово-размерных наногетероструктур. На основании результатов численного моделирования разработана эскизная конструкторская документация на квантово-размерные наногетероструктуры активной области для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм.
2. Проведены технологические работы по разработка лабораторной технологии молекулярно-пучковой эпитаксии квантово-размерных активной области для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм. Выбраны базовые технологические параметры режимов роста. Разработана эскизная технологическая документация на технологию молекулярно-пучковой эпитаксии квантово-размерных наногетероструктур активной области для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм.
3. Изготовлены макеты квантово-размерных наногетероструктур активной области для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм.
4. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний макетов квантово-размерных наногетероструктур активной области для
вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм.
5. Изготовлены тестовые наногетероструктуры апертурных слоев для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм.

В настоящее время в стадии завершения находятся следующие работы:
1. Ведутся исследовательские испытания макетов квантово-размерных наногетероструктур активной области для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм
2. Ведутся исследования механической надежности и паразитной емкости тестовых наногетероструктур апертурных слоев для вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм
3. Ведутся работы по разработке эскизной конструкторской документации на тестовые кристаллы вертикально-излучающих лазеров спектральных диапазонов 840-895 и 950-1060 нм