Фундаментальные исследования процессов эпитаксиального роста решеточно-рассогласованных гетероструктур А3В5 и оптоэлектронные приборы с оптическими резонаторами нового типа

В отчете представлены результаты исследований НИР, по Госзаданию по теме «Фундаментальные исследования процессов эпитаксиального роста решеточно-рассогласованных гетероструктур А3В5 и оптоэлектронные приборы с оптическими резонаторами нового типа» Цель работы: Фундаментальные исследования эпитаксиального роста: напряженных гетероструктур для вертикально-излучающих и квантово-каскадных лазеров методом молекулярно-пучковой эпитаксии; широкозонных материалов на основе нитридов и оксидов и гетероструктур на их основе методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. Разработка и исследование оптоэлектронных приборов с оптическими резонаторами нового типа. Задачи: - Исследование характеристик напряженных многослойных гетероструктур вертикально-излучающих и квантово-каскадных лазеров, полученных молекулярно-пучковой эпитаксией; - Разработка и исследование квантовых каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона; - Проведение эпитаксиального роста и исследований широкозонных гетероструктур на основе нитридов и оксидов III группы. - Проведение исследований рекомбинационных процессов в светодиодах на основе нитридов; - Исследование комбинированныхе пленок наноструктурированного ITO и композитных покрытий на его основе; - Исследование гетероструктур переходной размерности в системе материалов A3B5; Объект исследования: Эпитаксиальный рост решеточно-рассогласованных гетероструктур А3В5 и оптоэлектронные приборы с оптическими резонаторами нового типа. Новизна работы и основные технические характеристики: Определен оптимальный дизайн и технологические условия выращивания широкозонных гетероструктур на основе нитридов Ill-группы на основе изучения их структурных, оптических и электрофизических свойств. Изучены условия синтеза новых широкозонных материалов на основе нитридов и оксидов и исследованы возможности интеграции соединений оксидов и нитридов III группы. Разработаны методы исследования фундаментальных свойств гетероструктур АЗВ5 дробной и переходной размерности. Созданы торцевые и вертикально-излучающие лазеры с активной областью переходной размерности и детально исследованы электрические, мощностные, динамические характеристики. Определены параметры активной области и конструкций лазеров, оптимальные для практического использования. Созданы и исследованы квантово-каскадные лазеры с рекордной мощностью излучения в спектральной области 8 мкм, превышающей 21 Вт в импульсном режиме. Проведено исследование динамических свойств квантового каскадного лазера, учитывающих джоулев нагрев, выделяющийся в активной области. Проведены исследования эпитаксиального роста напряженных гетероструктур для вертикально-излучающих лазеров и квантово-каскадных лазеров методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Продемонстрирована двухфотонная генерация ККЛ ТГц диапазона (3,1 – 3,9 ТГц) в непрерывном режиме с максимальной рабочей температурой 90K Достижение поставленных целей осуществлялось посредством решения следующих задач: - Молекулярно-пучковая эпитаксия напряженных многослойных гетероструктур вертикально-излучающих и квантово-каскадных лазеров и исследование их характеристик; - Разработка и исследование квантовых каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона; - Эпитаксиальный рост и исследование широкозонных гетероструктур на основе нитридов и оксидов III группы; - Исследование рекомбинационных процессов в светодиодах на основе нитридов; - Исследование комбинированных пленок наноструктурированного ITO и композитных покрытий на его основе; - Исследование гетероструктур переходной размерности в системе материалов A3B5 Результаты работ по НИР: - Проведены исследования эпитаксиального роста напряженных гетероструктур для вертикально-излучающих лазеров и квантово-каскадных лазеров методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Продемонстрирована двухфотонная генерация ККЛ ТГц диапазона (3,1 – 3,9 ТГц) в непрерывном режиме с максимальной рабочей температурой 90K и лазерная генерация с низким уровнем пороговой мощности накачки для оптически накачиваемых лазеров с цилиндрическим микрорезонатором диаметром ~ 5 мкм и активной областью на основе квантовых точек InGaAs. Впервые проведена оценка фактора уширения спектральной линии (α-фактора) для одномодовых СП-ВИЛ спектрального диапазона 1,55 мкм с активной областью на основе тонких напряженных КЯ InGaAs/InAlGaAs. - Созданы и исследованы квантово-каскадные лазеры с рекордной мощностью излучения в спектральной области 8 мкм, превышающей 21 Вт в импульсном режиме. Проведено исследование динамических свойств квантового каскадного лазера, учитывающих джоулев нагрев, выделяющийся в активной области. Изучен перегрев активной области и проведен анализ влияния неравновесного рассеяния тепла на рабочие характеристики ККЛ. Продемонстрирована генерация случайных битовых последовательностей с помощью квантово-каскадного лазера и квантово-каскадного детектора. Проанализировано влияние оптических покрытий на электрооптические характеристики ККЛ, излучающих в спектральном диапазоне 4-5 мкм. - Проведено исследование влияния условий роста и дизайна гетероструктур III-N и III-O методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) на их структурные, оптические и электрофизические свойства. Произведено исследование преднамеренного легирования GaN углеродом из пропана и метана в широком диапазоне условий роста. Теоретически исследованы сильнолегированные туннельные переходы p+-n+ GaN (TJ) которые могут быть использованы в качестве замены традиционных слоев инжекции дырок. Продемонстрирована гомоэпитаксия на подложках из объемных кристаллов оксида галлия β-Ga2O3 полученных методом скалывания. Выращены слои β-Ga2O3 и β-(AlxGa1−x)2O3 и проведен анализ морфологии поверхности и структурного качества полученных структур. - Рассмотрены способы создания наноструктурированных пленок на основе сложного оксида индия и олова, обладающие улучшенными оптическими свойствами по сравнению с плоскими неструктурированными аналогами. Предложен метод комбинированного осаждения пленок, заключающийся в последовательном нанесении пленки двумя методами в рамках одного вакуумного процесса. Рассмотрены особенности создания композитных покрытий, состоящих из данных пленок с нанесенным поверх слоем Al2O3 с целью оптимизации их оптических свойств и химической стойкости. -Исследованы рекомбинационные процессы в светодиодах на основе нитридов с длиной волны излучения от 270 до 540 нм с внешней квантовой эффективностью от 4 до 70%. Обнаружена корреляция электрооптических свойств светодиодов со степенью разупорядоченности наноматериала в квантовых ямах и на гетерограницах. Обнаружена радиационная стойкость AlGaN светодиодов с длиной волны 270 нм при облучении электронами с энергией 5 МэВ и плотностью потока до 4,5 × 1016 э/см2, в отличие от СД зеленого, синего и ближнего ультрафиолетового диапазона, продемонстрировавших сильную деградацию электрических и оптических характеристик. - Исследовано управляемое током переключение лазерной генерации с основного на возбуждённое состояние в полосковых лазерах с активной областью переходной размерности 0D/2D - InGaAs/GaAs квантовыми яма-точками. Получена экспериментальная зависимость тока прозрачности квантовых яма-точек InGaAs/GaAs от энергии фотонов, которая соответствует разности квазиуровней Ферми для электронов и дырок. Область применения: Полученные результаты могут быть использованы для создания новых типов приборов опто- и микроэлектроники на основе широкозонных материалов. Разработанные и исследованные полупроводниковые светоизлучающие приборы (например, ККЛ) с предельными параметрами мощности, яркости, температурной стабильности, длительности импульса и диапазона перестройки длины волны излучения могут применяться для систем оптической передачи информации, спектроскопии, лазерных лидаров, флуоресцентной микроскопии, нелинейной оптики, биомедицинских исследований, а также для решения задач безопасности и экологического мониторинга.