WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Лишь в 1978 г. Р. Дюпюи и П. Дапкус в сотрудничестве с Н. Голоньяком впервые сообщили о создании лазера на квантовой яме с параметрами, сравнимыми со стандарт6 ными ДГС лазерами [63]. В этой работе впервые прозвуInGaAsP/GaAs W = 100 µm чало название ”квантовая яма”. Реальное преимущество = 0.8 µm CW лазеров на квантовых ямах было продемонстрировано L = 1.2 mm намного позже В.Т. Цангом из Bell Telephon lab. За NE счет значительного улучшения технологии МПЭ роста и создания оптимизированной структуры (РО ДГС с плавным изменением показателя преломления волноводной области: РО ПИПП ДГС) удалось добиться снижения пороговой плотности тока до 160 A/см2 [64]. В Физико-техническом институте развитие методов MПЭ и MOС ГФЭ выращивания гетероструктур АIIIBV было начато только в конце 70-х годов. Прежде всего мы стимулировали разработку и конструирование первой 1—45-Aсоветской установки молекулярно-пучковой эпитаксии 2—3-Aв нашей электронной промышленности. В течение нескольких лет были разработаны три поколения машин для MПЭ, и последние, имевшие название ”Цна” (красивая река вблизи Рязани — города, где находил1 2 3 4 I (A) ся Научно-исследовательский технологический институт Электронной Промышленности — НИТИ; в НИТИ и Рис. 6. Ватт-амперные характеристики РО ДГС лазерных диобыла выполнена разработка установок МПЭ) оказались дов InGaAsP–GaAs с одиночной квантовой ямой в непрерывном достаточно хороши для реализации научных программ.

режиме. 1 — диод с сильно и слабо отражающими покрытиями;

Параллельно, чуть позже, мы начали разрабатывать си- 2 — диод только с сильно отражающими покрытиями. NE(I) — стемы МПЭ в НТО АН — в Ленинграде. В середине зависимость коэффициента преобразования энергии (кпд) от тока.

80-х годов несколько систем этой версии было получены ФТИ. Оба типа систем МПЭ все еще работают в ФТИ и других лабораториях страны.

Системы MOС ГФЭ мы разработали в нашем Инстипо развитию метода ЖФЭ, пригодного для выращивания туте, а позже, в 80-е годы, шведская компания ”Epiquip” гетероструктур с квантовыми ямами.

специально сконструировала, при нашем активном учаОднако, до конца 70-х годов казалось невозможно стии, пару систем для нашего Института, которые до сих вырастить гетероструктуры АIIIBV с толщиной активной пор используются в научных исследованиях.

Большой интерес к изучению низкоразмерных струк- области менее 500 методом ЖФЭ из-за существования тур и отсутствие оборудования для технологий роста вблизи гетеропереходов протяженных переходных облаMПЭ и MOС ГФЭ стимулировали наши исследования стей переменного химического состава.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № E P (W) N (%) 10 Ж.И. Алферов (a) но ранее в [13]. Другой важной особенностью InGaAsPгетероструктур явилась их довольно большая устойчивость к развитию дислокаций и дефектов (рис. 7) [70].

Данные исследования положили начало широкому применению гетероструктур, не содержащих алюминий.

40 µm Наиболее сложная лазерная структура c квантовыми ямами, которая соединила в себе одиночную квантовую яму и короткопериодные сверхрешетки (КПСР), испольt =(b) зовавшиеся для создания РО ПИПП ДГС (наиболее предпочтительной для получения наименьших значений порогового тока), была выращена в нашей лаборатории в 1988 г. [71] (рис. 8). Используя КПСР, удалось не только достигнуть желаемого профиля показателя преломления в волноводной области, создать барьер движению дислокаций в активную область, но также получить возt = 15 min t = 6 min можность выращивать различные части структуры при существенно различных температурах. Таким образом, были достигнуты одновременно как превосходная морфология поверхности, так и высокая внутренняя кван40 µm товая эффективность на планарной поверхности GaAs (100). Были получены значения пороговой плотности тока Jth = 52 A/cм2 и, после некоторой оптимизации, t = 25 min t = 90 min Jth = 40 A/cм2, которое до сих пор является мировым реРис. 7. Временная эволюция картин люминесценции из актив- кордом для полупроводниковых инжекционных лазеров ной области в AlGaAs–GaAs (a) и InGaAsP–GaAs (b) РО ДГС с и служит хорошей демонстрацией эффективного приодиночной квантовой ямой при высоком уровне фотовозбуждеменения квантовых ям и сверхрешеток в электронных ния. Диаметр пятна возбуждения Kr+-лазера 40 мкм. Уровни приборах.

возбуждения, Вт/см2: a —104, b —105.

Идея стимулированного излучения в сверхрешетках, выдвинутая Р. Казариновым и Р. Сурисом [49], была реализована почти на четверть столетия позже Ф. КапасСитуация изменилась благодаря работе Н. Голоньяка и со [72]. Предложенная ранее структура была существендр. [65], предложивших для выращивания сверхрешеток но оптимизирована, и каскадный лазер, разработанный на основе соединений lnGaAsP использовать систему Ф. Капассо, вызвал к жизни новое поколение унипоЖФЭ с вращающимися ”лодочками”. В нашей лабора- лярных лазеров, работающих в среднем инфракрасном тории мы разработали модифицированный метод ЖФЭ диапазоне.

с обычным последовательным перемещением подложки в стандартной горизонтальной геометрии ”лодочки” для InGaAsP-гетероструктур [66] и метод низкотемпературной ЖФЭ для AlGaAs-гетероструктур [67]. Эти методы позволили нам выращивать гетероструктуры с квантовыми ямами превосходного качества практически любого вида с толщиной активной области до и с размером переходных областей, сравнимым с постоянной кристаллической решетки (рис. 5). Важное практическое значение имело получение методом ЖФЭ рекордных значений пороговых плотностей тока в лазерах с раздельным ограничением и одиночной квантовой ямой на основе гетероструктур lnGaAsP/InP ( = 1.3 и 1.55 мкм) и lnGaAsP/GaAs ( = 0.65-0.9мкм) [68]. Для мощных лазеров InGaAsP/GaAs ( = 0.8мкм) (рис. 6), выполненных в полосковой геометрии, были достигнуты в непрерывном режиме эффективность 66% и мощность d излучения 5 Вт при ширине полоска 100 мкм [69]. В p Undoped N этих лазерах впервые было реализовано эффективное охлаждение мощного полупроводникового прибора за Рис. 8. Структура РО ДГС лазера с КЯ, ограниченной КПСР, счет рекомбинационного излучения, как было предсказа- выращенная методом МПЭ.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 0.8) 0.µ 0.8) 0.µ 0.4) 0.µ 0.08) 0.µ GaAs 0.0.SPSL 0.µ m SPSL 0.µ m 0.0.+ + GaAs substrate p -GaAs 0.µ m n -GaAs 0.µ m 1x 1x p-Al Ga As 1.µ m 1x N-Al Ga As 1.µ m 1x x x x x p-Al Ga As ( x = 0. m N-Al Ga As ( x = 0. m + N-Al Ga As ( x = 0. m p -Al Ga As ( x = 0. m История и будущее полупроводниковых гетероструктур – Ступенчатый вид функции плотности состояний.

– Квантовый эффект Холла.

– Дробный квантовый эффект Холла.

4.3 kA/cm104 – Существование экситонов при комнатной темпера(1968) туре.

Impact of Double – Резонансное туннелирование в структурах с двойHeterostructures ным барьером и сверхрешетках.

– Энергетический спектр носителей в сверхрешетках Impact of 900 A/cmопределяется выбором потенциала и упругих напряжеQuantum Wells (1970) ний.

– Стимулированное излучение при резонансном тун160 A/cmнелировании в сверхрешетках.

(1981) 40 A/cm– Псевдоморфный рост напряженных структур.

(1988) II. Важные следствия для применений в полупроводниковых приборах Impact of SPSL QW – Более короткие длины волн излучения, меньшие значения порогового тока, большее дифференциальное усиление и более слабая температурная зависимость 1960 65 70 75 80 85 90 95 порогового тока в полупроводниковых лазерах.

Years – Инфракрасные квантовые каскадные лазеры.

Рис. 9. Эволюция порогового тока полупроводниковых – Лазер с КЯ, ограниченной КПСР.

лазеров.

– Оптимизация электронного и оптического ограничения и характеристик волновода в полупроводниковых лазерах.

История развития полупроводниковых лазеров — это, – Транзисторы с двумерным электронным газом с определенной точки зрения, история борьбы за сни(ВПЭТ).

жение их порогового тока, что наглядно проиллюстри– Резонансно-туннельные диоды.

ровано на рис. 9. Наиболее значительные изменения в – Высокоточные стандарты сопротивлений.

данной области произошли только после внедрения кон– Приборы на основе эффекта электропоглощения и цепции ДГС лазеров. Использование КПСР КЯ привело электрооптические модуляторы.

фактически к достижению теоретического предела этого – Инфракрасные фотодетекторы на основе эффекта одного из наиболее важных параметров. Дальнейшие поглощения между уровнями размерного квантования.

возможности, связанные с применением новых структур III. Важные технологические особенности с квантовыми проволоками и квантовыми точками, будут – Нет необходимости в согласовании параметров реобсуждаться в следующей части нашей статьи.

шетки.

Возможно, наиболее значительным открытием, свя– Принципиально необходимо использование технолозанным с исследованием квантовых ям, было открытие гий с низкими скоростями роста (MПЭ, MOС ГФЭ).

квантового эффекта Холла [73]. Это открытие и всесто– Метод субмонослойного выращивания.

роннее его изучение в A1GaAs–GaAs-гетероструктурах, – Подавление распространения дислокаций несоответприведшее вскоре к открытию дробного квантового ствия в процессе эпитаксиального роста.

эффекта Холла [74], оказало принципиальное влияние – Резкое увеличение разнообразия материалов — комна всю физику твердого тела. Обнаружение данного понентов гетероструктур.

эффекта, имеющего дело только с фундаментальными величинами и не зависящего от особенностей зонной структуры, подвижности и плотности носителей заряда 4. Гетероструктуры с квантовыми в полупроводнике, показало, что гетероструктуры могут проволоками и квантовыми точками использоваться и для моделирования некоторых фундаментальных физических явлений. В последнее время В 80-е годы, прогресс в физике двумерных гетеробольшая часть исследований в этой области сконцентри- структур с квантовыми ямами и их прикладных прирована на понимании механизма конденсации электронов менениях, привлек многих ученых к изучению систем, и поиске вигнеровской кристаллизации.

обладающих еще меньшей размерностью — квантовых Обобщим кратко основные положения данной части проволок и квантовых точек. В отличие от квантовых ям, аналогично тому, как это было сделано в предыдущей, где носители ограничены в направлении, перпендикулярпосвященной классическим гетероструктурам. ном к слоям, и могут двигаться свободно в плоскости I. Фундаментальные физические явления в гетеро- слоя, в квантовых проволоках носители заряда ограниструктурах с квантовыми ямами и сверхрешетками чены в двух направлениях и свободно перемещаются – Двумерный электронный газ. только вдоль оси проволоки. В квантовых ”точках” — Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № th J (A/cm ) 12 Ж.И. Алферов Первые полупроводниковые точки — микрокристаллы (a) соединений АIIBVI, сформированные в стеклянной матрице, были предложены и реализованы A.И. Екимовым и A.A. Онущенко [78]. Эта работа инициировала важные теоретические исследования квантовых точек, начатые Ал.И. Эфросом и A.Л. Эфросом в Физико-техническом институте [79]. Однако, поскольку полупроводниковые Energy квантовые точки были внедрены в изолирующую сте(b) клянную матрицу и качество гетерограницы между стеклом и полупроводниковой точкой было невысоким, это создавало определенные ограничения как для фундаментальных исследований, так и для приборных применений.

Намного более интересные возможности появились с созданием трехмерных КТ, когерентных с окружающей Energy их полупроводниковой матрицей [80].

(c) Для изготовления этих структур были предложены несколько методов. Непрямые методы, к которым относится изготовление КТ путем их поперечного вытравливания из структур с КЯ, часто страдают недостаточным разрешением и могут вызывать повреждение гетерограниц в процессе травления. Более перспективным способом является применение прямых методов изготовления, Energy таких как рост в V-канавках и на гофрированных (”корруРис. 10. Схематические диаграммы функции плотности согированных”) поверхностях, приводящих к образованию стояний для структур с квантовыми ямами (a), квантовыми КП и КТ. Лаборатории Физико-технического института проволоками (b) и квантовыми точками (c).

и Технического университета Берлина — в последнее время мы проводили эти исследования в близком сотрудничестве — значительно продвинулись именно в ”искусственных атомах”, носители заряда ограничены последнем направлении.

уже во всех трех направлениях и обладают полностью дискретным энергетическим спектром. На рис. 10 показаны схематические диаграммы функции плотности соJth(T) стояний для КЯ, квантовых проволок (КП) и квантовых Jth = =exp T Jth(0) Tточек (КТ).

1.Экспериментальная работа по изготовлению и исследованию структур с КП была начата более 10 лет назад [75]. В то же самое время было выполнено теоретическое исследование проблем, связанных с одним из наиболее интересных применений — лазером на КП [76].

(d) Авторы [76] указывали на возможность ослабления тем1.пературной зависимости плотности порогового тока для (c) КП лазера и на полную температурную стабильность (b) лазеров на КТ (рис. 11). К настоящему времени в данной области уже имеется значительное число как (a) T0 = 104 °C теоретических, так и экспериментальных работ. Были (a) исследованы транспортные и емкостные свойства КП;

(b) T0 = 285 °C изучалось вертикальное и поперечное туннелирование в (c) T0 = 481 °C структурах с КП и КТ. В лазерных КП структурах были выполнены измерения фотолюминесценции в дальней (d) T0 = °C инфракрасной области спектра, изучены рамановские спектры, проведены измерения оптического усиления и 0.исследования особенностей оптических свойств, особен-60 -40 -20 0 20 40 но поляризационных эффектов. По-видимому, наибольTemperature (°C) шего успеха в создании КП лазеров достигли авторы работы [77]. Однако, до сих пор прогресс в этой области Рис. 11. Нормированные температурные зависимости пороосуществляется весьма медленно, и реализация наиболее гового тока для различных ДГС лазеров: объемных (a), с интересных применений структур с квантовыми провоквантовыми ямами (b), с квантовыми проволоками (c) и с локами все еще впереди.

квантовыми точками (d).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Density of states Density of states Density of states th Normalized threshold current J История и будущее полупроводниковых гетероструктур Cross section комнатной температуре. Кроме того, они должны быть [001] свободными от дислокаций и дефектов.

Одним из механизмов формирования упорядоченных наноструктур является фасетирование, в котором плоская кристаллическая поверхность перестраивается в периодическую структуру ”холмов и долин” для уменьшения свободной энергии на поверхности [81,82]. Последующий гетероэпитаксиальный рост на фасетированных InAs поверхностях при оптимизированных условиях роста может приводить к формированию гофрированных сверхреGaAs шеток [83,84].

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.