Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0001
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Полупроводниковые наногетероструктуры А3В5 для вертикально-излучающих лазеров ближнего ИК-диапазона
Докладчик
Блохин Сергей Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта заключается в разработке вариантов конструкций, базовой технологии синтеза методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и методов диагностики параметров полупроводниковых наногетероструктур А3В5 для вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) ближнего ИК-диапазона (850-1060нм).
Для достижения цели настоящего проекта необходимо решить ряд взаимосвязанных задач:
1. Поиск оптимальных вариантов конструкции полупроводниковых наногетероструктур A3B5 для ВИЛ ближнего ИК-диапазона с учетом парка технологического оборудования
2. Оптимизация технологических режимов и разработка базовой технологии МПЭ-синтеза квантоворазмерных наногетероструктур A3B5
3. Оптимизация технологических режимов и разработка базовой технологии МПЭ-синтеза полупроводниковых многослойных наногетероструктур A3B5 c вертикальными оптическими микрорезонаторами
4. Разработка методов диагностики полупроводниковых многослойных наногетероструктур A3B5 c вертикальным оптическим микрорезонатором
5. Приборная апробация разработанных полупроводниковых многослойных наногетероструктур A3B5 c вертикальным оптическим микрорезонатором
Актуальность и новизна исследования
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), специализированных источников лазерного излучения для компактных атомных стандартов частоты в помехоустойчивых системах связи и инерциальных навигационных системах, магнитометрических датчиков в мобильных системах геологоразведкии обнаружения взрывоопасных предметов, источников накачки твердотельных лазеров и подсветки целей (в матричном исполнении). 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.

Описание исследования

Описание методов и подходов удобно разбить на пункты согласно поставленным задачам.

1. Возможны различные варианты реализации конструкции ВИЛ как по схеме инжекции носителей, так и по степени интеграции конструкции. Конкретный вариант конструкции наногетероструктур A3B5 для ВИЛ ближнего ИК-диапазона  зависит от используемой технологии синтеза и технологического оборудования для планарной технологии. Были проведены расчеты спектров отражения многослойных гетероструктур и распределения интенсивности электромагнитной волны в оптическом микрорезонаторе, а также изучены нюансы транспорта носителей. В результате теоретического анализа была выбрана гибридная геометрия ВИЛ с внутрирезонаторными контактами. 

2. В силу высокой чувствительности характеристик ВИЛ к уровню материального усиления и спектральному согласованию резонансной длины волны микрорезонатора относительно спектра усиления активной области, оптическое качество и энергетическая структура активной области оказывают одно из решающих влияний на итоговые характеристики лазера. В конструкции ВИЛ ближнего ИК-диапазона (850-1060нм) в качестве активной области были использованы напряженные InGaAs квантовые ямы. Поскольку при росте напряженных наногетероструктур возможна релаксация упругой энергии напряжений и образования разного рода дислокаций из-за рассогласования кристаллических решеток, было уделено особое внимание вопросу сохранению псевдоморфного режима роста с низкой плотностью дефектов и высоким оптическим качеством наногетероструктур. Для качественной оценки кристаллической структуры напряженных наногетероструктур в процессе роста применялся метод дифракции электронов высоких энергий на отражение. Оптическое качество синтезированных наногетероструктур контролировалось с помощью спектроскопии фотолюминесценции, а структурное – методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. 

3. Резонансная длина волны оптического микрорезонатора и спектры отражения зеркал крайне чувствительны к оптической толщине слоев, поэтому при проектировании наногетероструктур A3B5 для ВИЛ  было уделено особое внимание выбору адекватных моделей зависимостей показателя преломления, а при отработке МПЭ-технологии наногетероструктур A3B5 для ВИЛ - динамике потока материалов из эффузионных ячеек и способам прецизионной калибровки режимов эпитаксиального роста. Для повышения точности попадания в проектное значение резонансной длины волны была реализована возможность для in-situ контроля спектров отражения наногетероструктур, выращенных на МПЭ-установке RiberCompact 21.​Кроме того, с целью уменьшения сопротивления легированных РБО при сохранении низких оптических потерь были отработаны профили легирования слоев и конструкции переходных слоев на гетероинтерфейсах.

4. Поскольку контроль параметров отдельных слоев наногетероструктур A3B5 для ВИЛ ближнего ИК-диапазона имеет определяющее значение для получения заданных характеристик, то при разработке МПЭ-технологии  наногетероструктур ВИЛ был сформирован целый ряд методик диагностики параметров наногетероструктур как для калибровки состава, толщин, уровня легирования, так и контроля оптических характеристик активной области, брэгговских отражателей и оптического микрорезонатора, которые необходимы для синтеза экспериментальные образцов наногетероструктур A3B5 для ВИЛ с заданными характеристиками. 

5. Приборная конструкция ВИЛ и маршрут изготовления лабораторного технологического процесса изготовления тестовых кристаллов ВИЛ разрабатывались с учетом технологических возможностей участников проекта. Потребовалось оптимизировать ряд ключевых операций лабораторного технологического процесса под конкретную конструкцию наногетероструктур и технологический парк пост-ростового оборудования Индустриального партнера, а также ввести контроль за каждой критической операцией. Для анализа характеристик тестовых кристаллов ВИЛ были разработаны методики измерения вольт-амперных и мощностных характеристик и спектров лазерной генерации маломощных лазеров с выводом излучения вверх непосредственно на пластине в диапазоне температур 15-90С.

Предлагаемый путь достижения основной цели проекта полностью соответствует технологическому циклу разработки вертикально-излучающих лазеров, ведущиеся в ряде зарубежных ведущих университетов и научных отделах передовых компаний.

Результаты исследования
  • Разработаны методы математического моделирования и проведено моделирование квантово-размерных наногетероструктур активной области для вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) спектральных диапазонов 840-895нм (далее АО-ВИЛ-1) и 950-1060нм (далее АО-ВИЛ-2), наногетероструктур распределенных брэгговских отражателей 840-895 нм (далее РБО-1) и 950-1060 нм (далее РБО-2), наногетероструктур А3В5 для ВИЛ диапазонов 840-895 нм (далее ВИЛ-1) и 950-1060 нм (далее ВИЛ-2). Выбраны базовые конструкции соответствующих наногетероструктур.
  • Разработаны эскизная конструкторская и технологическая документация на технологию МПЭ-синтеза наногетероструктур АО-ВИЛ-1, АО-ВИЛ-2, РБО-1, РБО-2, ВИЛ-1 и ВИЛ-2. Проведены технологические работы по разработка лабораторной технологии молекулярно-пучковой эпитаксии соответствующих наногетероструктур. 
  • Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов АО-ВИЛ-1, АО-ВИЛ-2, РБО-1, РБО-2, ВИЛ-1 и ВИЛ-2.  Предложены методики неразрушаемого контроля и диагностики основных характеристик соответствующих наногетероструктур.
  • Изготовлены и проведены исследовательские испытания экспериментальные образцы АО-ВИЛ-1, АО-ВИЛ-2, РБО-1, РБО-2, ВИЛ-1 и ВИЛ-2. Изготовленные экспериментальные образцы удовлетворяют требуемым характеристикам на соответствующие наногетероструктуры. 
  • Разработаны эскизная конструкторская и технологическая документация на процесс изготовления тестовых кристаллов ВИЛ диапазонов 840-895нм и 950-1060нм.
  • Разработаны программы и методики исследовательских испытаний характеристик тестовых кристаллов ВИЛ ближнего ИК-диапазона.
  • Изготовлены и проведены исследовательские испытания тестовых кристаллов ВИЛ ближнего ИК-диапазона. Изготовленные тестовые кристаллы удовлетворяют требуемым характеристикам.

В ходе выполнения была разработана оригинальная эпитаксиальная и приборная конструкции ВИЛ ближнего ИК-диапазона с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим выводным брэгговским отражателем SiO2/Ta2Oдля снижения электрического сопротивления и повышения дифференциальной эффективности лазера при сохранении низкого порогового тока на малых размерах оксидной токовой апертуры. В ходе приборной апробации были изготовлены лазеры для обоих спектральных диапазонов. Тестовые кристаллы ВИЛ-1 демонстрируют генерацию вблизи длины волны 890нм, а ВИЛ-2 вблизи 980нм. Реализованные приборы обоих типов имеют низкие сопротивления: менее 200 Ом при размере токовой апертуры ~3мкм, что существенно ниже сопротивления приборов с полностью легированными зеркалами, выращенных методом МПЭ, и сравнимо с лучшими значениями для приборов с полностью легированными РБО, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, что обусловлено применением сильнолегированного контактного слоя р-типа только над периферийной частью токовой апертуры. Данные приборы имеют дифференциальную эффективность более 0.8 Вт/А при величине порогового тока менее 0.5 мА, что обусловлено применением легированных композиционных решеток между внутрирезонаторными контактными слоями и резонатором  для снижения уровня поглощения на свободных носителях в легированных слоях. По совокупности характеристик разработанные прототипы ВИЛ ближнего ИК-диапазона не уступают передовым разработкам в мире. 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые наногетероструктуры А3В5 с вертикальным оптическим микрорезонатором предназначены для создания отечественных компактных источников лазерного излучения, применяемых в информационно-вычислительных системах и комплексах бортовой радиоэлектронной аппаратуры, для специализированных источников лазерного излучения в компактных атомных стандартах частоты и магнитометрических датчиков.
Перспективы внедрения результатов работы в целом связаны с созданием отечественной технологии производства вертикально-излучающих лазеров на базе профильных предприятий электронной промышленности (ОАО «ОКБ Планета», ОАО «НПП «Салют», ЗАО «Светлана-Электронприбор», ОАО «НПП «Полюс», ООО «Коннектор Оптикс» и др.) и снизить зависимость от импортной компонентной базы. 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 «Коннектор Оптикс») и наличие промышленного партнера, заинтересованного в разработке технологии кристаллов быстродействующих ВИЛ и устройств на их основе (ОАО «ОКБ Планета»). В настоящее время у исполнителя есть все необходимые и экспериментально апробированные конструктивно-технологические наработки для постановки опытно конструкторской работы (ОКР) по созданию технологии производства ВИЛ ближнего ИК-диапазона.
В целом выполнение настоящего проекта позволило существенно развить научно-технический комплекс страны в области нанотехнологий, а также создать технологический задел в стратегически важном направлении – разработка компактных специализированных источников лазерного излучения.