Оптоэлектроника на основе широкозонных полупроводниковых гетероструктур А3N и А2В6

Видео

Аннотация

Среди бинарных полупроводников А3В5 за последние 20 лет наиболее активно и плодотворно развивались технологии, физика и приборные применения гетероструктур А3-нитридов (AlGaIn)N. Это привело 7 октября 2014 года к решению Королевской Шведской академией наук о присуждении Нобелевской премии по физике в области полупроводниковой технологии Isamu Akasaki, Hiroshi Amano и Shuji Nakamura «за изобретение эффективных синих светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие энергосберегающие источники белого света» [1].

Это первая премия за полупроводниковую технологию спустя 14 лет после Нобелевской премии Ж.И. Алферова за открытие полупроводниковых гетероструктур в целом. Несмотря на существенный прогресс нитридной оптоэлектроники, в настоящее время коммерчески освоено лишь ~25% от всего спектрального диапазона, потенциально перекрываемого этими соединениями (λ = 210–1800нм). Поэтому актуальной задачей является разработка технологий и создание гетероструктурных излучателей и фотоприемников, работающих в среднем и глубоком УФ диапазоне (λ < 350 нм) на базе соединений AlGaN, а также продвижение в зелено-желтую область видимого спектра (λ > 530 нм) с помощью гетероструктур InGaN с высоким содержанием In.

В лекции будут представлены основные результаты исследований и разработок ФТИ им. А.Ф. Иоффе в области квантоворазмерных гетероструктур AlGaN, выращиваемых методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), для источников спонтанного и лазерного излучения в УФ диапазоне длин волн 250–320 нм и солнечно-слепых фотоприемников [2,3].

Будут рассмотрены методы снижения концентрации прорастающих дислокаций при росте на решеточно-рассогласованных подложках, способы достижения p-типа проводимости в слоях AlGaN с высоким содержанием Al и преимущества формирования квантовых ям методом суб-монослойной дискретной эпитаксии. Речь пойдет также об исследованиях эффектов локализации носителей заряда, встроенных электрических полей в квантоворазмерных активных областях [4] и проблеме перенормировки валентной зоны при содержании Al более 25% [5]. Сопоставление с мировым уровнем подтверждает перспективность предложенных решений для оптоэлектронных устройств и открывает широкие возможности для развития нитридной нанофотоники.

Лазерные гетероструктуры на основе широкозонных полупроводников А2В6, обладающие ультранизкой пороговой плотностью мощности (менее 1 кВт/см2 при 300К), составляют достойную конкуренцию А3N структурам в зеленом (λ = 520–550 нм) диапазоне. Более того, они позволяют существенно легче продвинуться в желтую часть видимого спектра [6].

Оригинальный дизайн таких структур, разрабатываемый в ФТИ в течение более 15 лет, базируется на активной области, содержащей плоскости квантовых точек CdSe/ZnSe, помещенные в волновод с плавным изменением показателя преломления на основе переменно-напряженных сверхрешеток Zn(Mg)SSe/ZnSe. В лекции будут представлены приоритетные результаты по разработке МПЭ технологии таких гетероструктур, приведшие к созданию в ФТИ первых в мире зеленых лазерных диодов с квантовыми точками CdSe/ZnSe [7], а также оригинальная концепция зелено-желтого инжекционного лазерного конвертера на основе гетероструктуры А2В6, накачиваемой излучением синего лазерного диода InGaN (416–440 нм), которую мы развиваем совместно с Институтом физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси [8]. В настоящее время такой лазерный микрочип-конвертер уже продемонстрировал максимальную выходную мощность 160 мВт (λ = 535 нм) при пороговой мощности импульса накачки 0.3 Вт. Будут обсуждаться пути оптимизации параметров диодных конвертеров для зелено-желтого спектрального диапазона.

1. Nobel Prize in Physics 2014 for “Efficient blue light-emitting diodes leading to bright and energy-saving white light sources”.
2. S.V. Ivanov et al., Semicond. Sci. Technol. 29, 084008 (2014), invited paper in a special issue on UV LED eds. J.Han, H. Amano, L. Schowalter.
3. V.N. Jmerik et al., Phys. Status Solidi A 210, 439 (2013), feature paper.
4. A.A. Toropov et al., J. Appl. Phys. 114 , 124306 (2013).
5. Е.В. Луценко и др., ФТТ 55, 2059 (2013).
6. S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, I.V.Sedova, Molecular beam epitaxy of wide-gap II–VI laser heterostructures. Chapter In: Henini M, editor. “Molecular Beam Epitaxy: From research to mass production”. Elsevier Inc., 2013. p. 611–630.
7. S.V. Ivanov et al., Appl. Phys. Lett. 74, 498 (1999).
8. S.V. Sorokin et al., Electron. Lett. 48, 118 (2012).