ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА НАПРЯЖЕННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР А3В5 И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ПРИБОРЫ С ПРЕДЕЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Целью исследований по теме являлось развитие физических основ синтеза напряженных гетероструктур А3В5 на различных типах подложек и создание на их основе оптических и электронных приборов с предельными параметрами. Основные направления состояли в следующем. Теоретическое исследование влияния профиля легирования кремнием в InGaN/GaN гетероструктурах на рекомбинацию носителей и сравнение с экспериментальными данными. Теоретическое исследование влияния профиля распределения глубоких примесей в AlGaN/GaN гетероструктурах для полевых транзисторов на электрофизические свойства и сравнение с экспериментальными данными. Эпитаксиальный рост методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и последующее исследование структур для приборных применений, включая светодиоды на новых типах подложек и транзисторы с высокой подвижностью носителей. Исследование фундаментальных особенностей газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений оксидов III группы. Исследования вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) спектральных диапазонов 1300 / 1550 нм, реализованных на базе технологии молекулярно-пучковой эпитаксии и технологии спекания пластин. Исследование сильно асимметричного волноводного лазера с объемным активным слоем, расположенным очень близко к p-обкладке. Разработка теории конической рефракции частично-когерентного излучения от лазерных диодов и светодиодов. Исследование лазерных структур с различным дизайном волновода на основе квантовых ям, квантовых точек и квантовых ямо-точек оптического диапазона 1-1.3 мкм. Основные результаты выполнения работы: Исследовано влияния профиля распределения примесей в структурах (In,Ga)N/GaN и AlGaN/GaN на их свойства и определены оптимальные варианты дизайна структур. Проведены исследования технологий роста и процессирования светодиодных структур на подложках SiC/Si для создания прототипов приборных структур. Проведены исследования газофазного осаждения (AlGa)2O3 из триметилгаллия, триметилалюминия и кислорода в широком интервале условий позволившие верифицировать модель эпитаксиального роста оксидов III группы. С использованием технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и технологии спекания пластин (СП) созданы ВИЛ спектрального диапазона 1300 нм с активной областью на основе короткопериодных сверхрешеток (СР) InGaAs/InAlGaAs, демонстрирующие выходную мощность более 6 мВт в одномодовом режиме. Показано, что для получения максимально мощности в одномодовом режиме оптимальный диаметр меза-структуры заращенного туннельного перехода (ЗТП) p++-In0.53Ga0.31Al0.16As/p++-In0.53Ga0.47As/n++-In0.53Ga0.47As с глубиной травления ~ 25 нм составляет 5-6 мкм. Приборы имеют низкий уровень внутренних оптических потерь (0.08% на один полный проход фотона в оптическом резонаторе при комнатной температуре). Проведены исследования по определению величины оптического усиления активной области на основе короткопериодных сверхрешеток (СР) InGaAs/InAlGaAs. Выполнены детальные исследования характеристик СП ВИЛ спектрального диапазона 1550 нм с активной областью на основе квантовых ям InGaAs и продемонстрирована возможность достижения при рабочей температуре 20 °С в режиме прямой токовой модуляции по амплитудному формату NRZ скорости передачи данных 30 Гбит/с для короткой линии связи и 25 Гбит/с для линии связи длиной 2 км. Предложена конструкция полупроводникового лазера для эффективного излучения красного света высокой мощности и яркости с использованием асимметричного волновода с большим оптическим резонатором и объемного активного слоя (AL), расположенного очень близко к p-обкладке. Низкая пороговая плотность носителей, связанная с широким AL, а также близость AL к p-обкладке гарантируют, что ток утечки электронов, основной вредный фактор в красных лазерах, остается умеренным в широком диапазоне уровней возбуждения. Это, в свою очередь, обещает высокую мощность и эффективную работу. Построена строгая теория конической рефракции излучения с частичной пространственной когерентностью. В предположении случайной фазы электрического поля входного пучка, переформулирован и значительно упрощен математический формализм теории, что позволило объяснить ранее полученные экспериментальные результаты и предсказать новые явления. К последним относятся контринтуитивный эффект сужения ширины кольца конической рефракции и исчезновение темного кольца Поггендорфа в плоскости Ллойда, а также смещение пятен Рамана и бездифракционное распространение низко когерентного пучка конической рефракции в дальнем поле. Также, теоретически исследовались капельные квази-бесселевые пучки для различных форм аксикона со скругленной вершиной. Были получены точные решения для дифракционных интегралов Френеля, описывающих аксиальное распределение амплитуды электрического поля за аксиконом. Анализ точных решений показал, что период «световых капель» квази-бесселева пучка не является постоянной величиной, а зависит от осевого расстояния и отклонения поверхности аксикона от конической формы вдали от закругленной области. Предложен усовершенствованный метод измерения теплового сопротивления торцевых лазерных диодов с помощью спектров спонтанного излучения, измеренных в режиме лазерной генерации через окно в n-контакте. Была предложена и реализована оригинальная конструкция кольцевых полупроводниковых лазеров на основе InAs/InGaAs/GaAs квантовых точек. Её преимуществами является простота постростовой технологии, не требующая заращивания или планаризации. Особенностью конструкции является использование асимметричного латерального волновода.