XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

В последнее десятилетие достижения в области технологии роста многослойных структур различных полупроводниковых материалов (гетероструктур) привели к широкому внедрению мощных полупроводниковых лазеров в различные сферы жизни: от машиностроения и обработки материалов до медицины и энергетики. К плюсам таких устройств можно отнести высокую надежность и энергоэффективность. Однако существующие технологии и подходы к производству мощных полупроводниковых лазеров и систем на их основе подошли к пределу по излучаемой мощности, при сохранении компактности и энергоэффективности лазерной системы в целом. Поэтому дальнейшее развитие мощных полупроводниковых лазеров требует разработки новых конструкций и методов получения гетероструктур [3]. 

Классические гетероструктуры

Фундаментальные физические явления

– Односторонняя инжекция.

– Сверхинжекция.

– Диффузия во встроенном квазиэлектрическом поле.

– Электронное ограничение.

– Оптическое ограничение.

– Эффект широкозонного окна.

– Диагональное туннелирование через гетерограницу.

Важные следствия для применений в полупроводниковых приборах

– Низкопороговые полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, лазеры с распределенной обратной связью и с распределенными брэгговскими зеркалами, поверхностно-излучающие лазеры, инфракрасные лазеры на гетероструктурах II-го рода.

– Высокоэффективные светоизлучающие диоды. – Солнечные элементы и фотодетекторы, основанные на эффекте широкозонного окна.

– Полупроводниковая интегральная оптика, основанная на полупроводниковых РОС и РБЗ лазерах. – Гетеробиполярные транзисторы с широкозонным эмиттером.

– Транзисторы, тиристоры, динисторы с передачей светового сигнала.

– Мощные диоды и тиристоры. – Преобразователи света из инфракрасного в видимый диапазон. – Эффективные холодные катоды.

Важные технологические особенности

– Принципиальная необходимость структур с хорошим согласованием параметров решетки.

– Многокомпонентные твердые растворы используются для согласования параметра решетки.

– Принципиальная необходимость эпитаксиальных технологий выращивания.

Гетероструктуры с квантовыми ямами и сверхрешетками [4].

Благодаря наличию электронного ограничения, в ДГС-лазеры на основе двойных гетероструктур, по существу, стали прямыми предшественниками структур с квантовыми ямами, в которых средний узкозонный слой имеет толщину порядка нескольких сотен ангстрем, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффектов размерного квантования. Однако лишь с развитием новых методов выращивания гетероструктур стала возможной реализация высококачественных двойных гетероструктур со сверхтонкими слоями. В 70-е гг. были разработаны два основных современных метода эпитаксиального роста с прецизионным контролем толщины, планарности, состава и т. д. Метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) превратился сегодня в одну из важнейших технологий для выращивания гетероструктур на основе соединений AmBv прежде всего благодаря пионерской работе А. Чо. Основные идеи метода газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений (М ОС ГФЭ) были изложены в ранней работе Г. Манасевита. Этот метод нашел широкое применение для выращивания гетероструктур соединений A1UBV, в особенности после сообщения Р. Дюпюи и П. Дапкуса о получении с его помощью инжекционного ДГС лазера в системе AlGaAs, работающего при комнатной температуре. Четкое проявление эффектов размерного квантования в оптических спектрах полупроводниковой гетероструктуры GaAs-AlGaAs со сверхтонким слоем GaAs (квантовой ямой) было продемонстрировано Р. Динглом и др. в 1974 г. Авторы наблюдали характерную ступенчатую структуру в спектрах поглощения и систематический сдвиг характеристических энергий при уменьшении толщины квантовой ямы (КЯ)[].

Наиболее сложная лазерная структура с квантовыми ямами, которая соединила в себе одиночную квантовую яму и короткопериодные сверхрешетки (КПСР), использовавшиеся для создания РО ПИПП ДГС (наиболее предпочтительной для получения наименьших значений порогового тока), была выращена в нашей лаборатории в 1988 г. (рис. 8). Используя КПСР, удалось не только достигнуть желаемого профиля показателя преломления в волноводной области, создать барьер движению дислокации в активную область, но также получить возможность выращивать различные части структуры при существенно различных температурах. Таким образом, были достигнуты одновременно как превосходная морфология поверхности, так и высокая внутренняя квантовая эффективность на планарной поверхности GaAs[5]

Области исследований

Создание и исследование активных сред на основе полупроводниковых соединений А3В5, используемых для усиления и генерации оптического излучения спектрального диапазона 1300 - 1550 нм, разработка технологии производства таких материалов.

Разработка и исследование характеристик полупроводниковых лазеров, позволяющих генерировать излучение ближнего инфракрасного диапазона 1300 -1550 нм, управлять его характеристиками [1].

Создание лазеров

Одной из проблем первых лазеров (как и всей полупроводниковой техники 50-х – начала 60-х годов) было то, что электрические заряды не удавалось локализовать в одной области. Из-за этого они «расплывались» по всей структуре.

Полосковая геометрия

Лазер, сделанный Алфёровым с коллегами, работал при комнатной температуре, но был импульсным. Следующей задачей было сделать лазер, работающий непрерывно. Основная проблема по-прежнему заключалась в теплоотводе: при непрерывной работе центральная часть лазера попросту перегревалась. К решению подходили с разных сторон: американские группы пытались приделать к лазеру эффективный алмазный теплоотвод, советские – использовать лазер не квадратной, а узкой вытянутой формы. Оба подхода оказались успешными, но второй – создание лазеров полосковой геометрии – оказался гораздо практичнее. Для него не нужен был алмаз, а обработка кристалла была гораздо проще.

«Расплывшиеся» электроны и дырки не просто терялись впустую, но вдобавок еще нагревали структуру. Само собой, это вело к увеличению рабочего тока и перегреву прибора, а еще уменьшало его быстродействие. На это обращает внимание Герберт Крёмер, предлагающий каким-либо образом «изогнуть» зонную структуру, чтобы распространение носителей ограничивалось каким-нибудь барьером [2].
После нескольких безуспешных попыток появилось простое решение: использовать границу двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. В этом случае более широкозонный полупроводник будет выступать барьером как для электронов, так и для дырок.

Позже выяснилось, что эта идея уже была предложена Уильямом Шокли в 1948 году. Он называл ее «широкозонный эмиттер», Крёмер же предложил название «гетеропереход» или «гетероструктура», так как барьер образовывался ничем иным, как границей двух разных материалов.

Итак, с появлением гетероперехода носители больше не утекают «вдаль». Но они все еще могут возвращаться обратно, что тоже не несет пользы. А что, если ограничить и движение обратно, добавив второй гетеропереход с другой стороны? Эта идея практически одновременно приходит в голову как Крёмеру, так и Жоресу Алфёрову с Рудольфом Казариновым из ФТИ имени Иоффе. Применение двойной гетероструктуры (ДГС) сулило снижение рабочего тока на пару порядков по сравнению с обычным p-n переходом [3].

Заключение

Классические гетероструктуры, квантовые ямы и сверхрешетки уже достаточно совершенны, и мы используем многие из их уникальных свойств. Структуры с квантовыми проводами и точками все еще очень молоды: на этом пути нас ждут захватывающие открытия и новые неожиданные приложения. Уже сейчас мы можем сказать, что упорядоченные равновесные массы квантовых точек могут быть использованы во многих устройствах: лазерах, оптических модуляторах, детекторах и излучателях в дальней инфракрасной области и т.д. Резонансное туннелирование через атомы полупроводника, встроенные в широкополосные слои, может привести к значительному улучшению характеристик устройств.

Список используемых источников

Технология получения материалов для производства лазеров [Электронный ресурс]. – URL: https://www.rscf.ru/news/presidential-program/tekhnologiya-polucheniya-materialov/

История и будущее полупроводников гетероструктур [Электронный ресурс]. – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/34218

Полупроводниковый лазер на основе гетероструктур [Электронный ресурс]. – URL: https://fizmathim.com/poluprovodnikovyy-lazer-na-osnove-kvantovorazmernyh-geterostruktur-s-prodolnoy-nakachkoy-elektronnym-puchkom

История и будущее полупроводниковых гетероструктур [Электронный ресурс]. – URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/25894/1/demprize-2006-23.pdf

Полупроводниковые технологии [Электронный ресурс]. – URL: http://ifan.basnet.by/?page_id=1634

Код для цитирования: Скопировать