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

Напряженные гетероструктуры соединений A3B5, в том числе структуры с пониженной размерностью (квантовые ямы, квантовые точки), являются основными материалами современных полупроводниковых лазерных излучателей, в том числе вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) и квантово-каскадных лазеров (ККЛ). Эффекты внутренних механических напряжений потенциально позволяют расширить доступный спектральный диапазон лазерного излучения, увеличить дифференциальное оптическое усиления и улучшить локализацию носителей заряда, Сложность реализации указанных типов лазеров обусловлена возможностью накопления высоких внутренних механических напряжений и большим количеством периодически повторяющихся групп эпитаксиальных слоев (до нескольких сотен), параметры которых необходимо контролировать с точностью ~ 1%. При реализации одномодовых ВИЛ с контролем поляризации выходного излучения дополнительные напряжения вносят слои токовых апертур. В предлагаемой работе будут исследованы фундаментальные проблемы синтеза таких гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии, изучены новые подходы к созданию одномодовых поляризационно-стабильных ВИЛ для перспективных атомных сенсоров и ККЛ ТГц диапазона. Широкозонные материалы и гетероструктуры на их основе в настоящее время широко применяются в различных приборах микро- и оптоэлектроники. Несмотря на большие успехи в области создания светоизлучающих приборов на основе III-N гетероструктур, остаётся большое количество нерешенных фундаментальных проблем. Также все большую актуальность приобретают новые типы широкозонных материалов, например, такие как ScAlGaN или оксиды галлия и алюминия и возможности интеграции соединений оксидов и нитридов III группы. В предлагаемой работе будут изучены как фундаментальные проблемы эпитаксиального роста III-N материалов и гетероструктур методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений для различных применений, так и исследованы новые дизайны гетероструктур с использованием новых типов материалов и возможности создания приборов на их основе. Особенностью полупроводникового лазера является то, что вся его эпитаксиальная структура, включая контактные слои и подложку, функционально определяет волноводные и резонаторные свойства. Это делает разработку и исследование новых конструкций волновода и резонатора наиболее эффективным подходом, позволяющим максимально учесть требования к полупроводниковому лазеру с точки зрения одновременного улучшения его оптических, электрических, тепловых и динамических характеристик. Современное развитие эпитаксиальных и постростовых технологий позволяет создавать полупроводниковые лазеры на основе систем волноводов и резонаторов, совместный функционал которых существенно меняет выходные характеристики лазеров, прежде всего, модовый состав. В предлагаемой работе будут разрабатываться физико-технологические основы одномерных и двумерных систем оптических волноводов торцевых, вертикально-связанных и кольцевых лазеров системы материалов А3В5. Разрабатываемые подходы будут сочетаться с используемыми в промышленности технологиями изготовления лазеров. Современные оптоэлектронные приборы (лазеры, усилители, светодиоды) используют квантоворазмерную активную область - квантовые ямы и квантовые точки, имеющие достоинства и недостатки, обусловленные их размерностью и технологическими особенностями синтеза. Актуальной является задача создания и исследования гетероструктур дробной и переходной размерности, которые имеют характеристики (зонная структура, спектры усиления, транспорт носителей и др.), отличные от нульмерных и двумерных структур. Задача детального исследования фундаментальных свойств такого типа структур и перспектив их приборного использования будут решаться в рамках предлагаемого проекта. В настоящее время в мире наблюдается растущий интерес к полупроводниковым светоизлучающим приборам, в т.ч. квантово-каскадным лазерам, с предельными параметрами мощности, температурной стабильности, яркости, длительности импульса и диапазона перестройки длины волны излучения. Быстродействующие полупроводниковые лазеры находят свое применение в системах оптической передачи информации, спектроскопии, лазерных лидарах, флуоресцентной микроскопии, нелинейной оптике, биомедицинских исследованиях, обработке материалов, 3D печати и во множестве других направлений науки и техники. Однако прямое применение полупроводниковых лазеров ограничено сравнительно невысокой мощностью их выходного излучения, недостаточной температурной стабильностью, относительно малой яркостью, а также ограничениям предельных длительностей импульса и диапазоном перестройки длины волны излучения. Помимо очевидной практической значимости, намеченные исследования позволят изучить целый ряд фундаментальных эффектов, определяющих динамику носителей заряда в квантоворазмерных гетероструктурах, влияние особенностей конструкции лазерного резонатора на характеристики прибора.