УДК 539.23:53.06
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СВЕТА И НИЗКОЭНЕРГОЕМКИЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОСОГЛАСОВАННЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР C НАНОДОМЕНАМИ И СВЕРХСТРУКТУРНЫМИ ФАЗАМИ
Глотов А.В.
Воронежский государственный университет
E-mail: antglotov@gmail.com
Цель проекта – разработка физико-химических основ получения эпитаксиальных гетероструктур c нанодоменами и сверхструктурными фазами обладающих высоким квантовым выходом высокоэффективных солнечных фотопреобразователей и низкоэнергоемких лазеров на полупроводниковых квантовых точках.
Эти структуры лежат в основе целого ряда устройств, имеющих широкие области применения. Так, например, наиболее перспективно использование исследуемых эпитаксиальных многослойных гетероструктур на основе твердых растворов
GaAs/AlGaAs/AlInAs/InGaAs в следующих областях:
волоконно-оптических линиях связи на основе флюоритных и других волокон;
автомобильные и железнодорожные светофорах; оградительные огнях на высоких зданиях и в аэропортах; полноцветных табло для стадионов, вокзалов и аэропортов,
реклама; пультах дистанционного управления;
системах атмосферной оптической связи; охранные системах, системах автоматики, оптопарах, оптореле
и т.п.
Известно, что прогресс в технологических методах выращивания и диагностики наноструктур различного типа, достигнутый в последнее время, продолжает преображать информационный мир. В настоящее время большой интерес привлекают исследования ростовых процессов и свойств эпитаксиальных гетероструктур на полупроводниковых квантовых точках. Это объясняется, в первую очередь, перспективными применениями их в различных областях микроэлектроники, оптоэлектроники, наномеханики и нанобиотехнологии. На их основе можно создавать полевые и гетеробиполяр-
136
ные транзисторы, светоизлучающие устройства со сверхнизким энергопотреблением, различные типы сенсоров, туннельные диоды, одноэлектронные транзисторы, однофотонные излучатели и т. д.
Ансамбли полупроводниковых квантовых точек представляют собой уникальный объект для проведения фундаментальных исследований процессов роста и свойств одномерных наноструктур. Уникальные транспортные, электрические, оптические, адсорбционные и иные характеристики ансамбля наноструктур определяются их размером и морфологией. Наличие нетривиальной связи между физическими характеристиками частиц и их геометрией делает актуальной задачу контролируемого выращивания
Все это позволит создавать новые приборы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. Все это делает актуальной задачу моделирования процессов роста и физических свойств гетероструктур с квантово-размерными неоднородностями.
Однако, решение всех этих задач несомненно представляющих большой практический интерес за счет огромных возможностей для опто- и микроэлектроники, в значительной степени сдерживается технологическими трудностями изготовления многокомпонентных и многослойных материалов, микро- и наноструктур.
Поэтому моделирование физических процессов в полупроводниковой технологии позволяет выявлять оптимальные режимы получения полупроводниковых наноструктур, необходимых для практических применений.
Полупроводниковые твердые растворы, в которых можно управлять шириной запрещенной зоны путем изменения состава, получать сверхструктурные фазы и доменную структуру, представляют для полупроводниковой оптоэлектроники огромнейший интерес. Эти соединения имеют положительную энтальпию образования, что создает возможность спонтанного распада твердого раствора при определенных температурах. В результате распада твердого раствора могут самопроизвольно возникать наноструктуры, представляющие сверхструктурные фазы упорядочения с образованием доменной структуры.
Преимуществом предлагаемого нами в Проекте подхода является использование процесса самоорганизации для получения упо-
137
рядоченной доменной структуры в матрице твердого раствора. Состав, структура и оптические свойства доменов отличаются от соответствующих характеристик матрицы – твердого раствора. В результате возникающие домены являются ансамблем подобным ансамблю квантовых точек.
Однако, механизм образования доменов существенно отличается от механизма образования квантовых точек, поскольку обусловлен распадом всего ―объема‖ твердого раствора. При этом, как показывает наш опыт, домены и сверхструктурные фазы упорядочения возникают не латерально, как квантовые точки, но зарождаются в объеме слоя распавшегося твердого раствора, образуя ―3D‖ структуры, а затем уже выходят на поверхность.
Кроме того, наши предварительные исследования по теме предлагаемого Проекта показали, что термодинамические условия эпитаксиального роста полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками при пониженной температуре и минимальном соотношения элементов 5 и 3 групп, приводят к тому, что при концентрациях атомов алюминия 0<x<1 происходит образование твердого раствора AlxGa1-x-yAs1-y –типа. Формирование такого типа твердого раствора при высоких концентрациях углеродного акцептора, ведет к тому, что не атомы последнего концентрируются на дефектах кристаллической решетки твердого раствора AlxGa1-x-yAs1- y с образованием нанокластеров углерода.
Использование этого типа твердого раствора при росте эпитаксиальных гетероструктур на основе полупроводников A3B5 может позволить получать не только полностью самосогласованные структуры, за счет формирования слоев с одинаковыми, но противоположными отклонениями параметра решетки пленки относительно параметра подложки, в результате чего внутренние напряжения будут сведены к нулю, но и в результате использования процесса самоорганизации для получения упорядоченной структуры кластерных включений, на основе легирующей примеси в матрице твердого раствора.
Научных работ по управляемому и воспроизводимому формированию эпитаксиальных гетероструктур c нанодоменами и сверхструктурными фазами за счет управляемой самоорганизации, низкотемпературных твердых растворов AlxGa1-x-yAs1-y – типа, а также использования их для создания на их основе низкоэнергоемких лазеров практически нет. Проведенные нами предварительные иссле-
138
дования и сравнение их с аналогичными зарубежными результатами показывают, что на данный момент получить твердые растворы вычитания полупроводников A3B5, а в частности в системе AlAs – GaAs удалось лишь нашей исследовательской группе.
Интенсивные усилия, направленные в последние годы на получение полупроводниковых лазеров, работающих в среднем инфракрасном 3-7 мкм при комнатной температуре, выявили основные типы материалов и гетероструктур. В их числе квантовые ямы W-типа и квантовые точки, которые широко используются в антимонидных системах, где большинство комбинаций твердых растворов образуют гетеропереходы II-рода. Это позволило повысить рабочую температуру для непрерывного режима накачки лазеров. Данные об использовании квантовых W-типа и квантовых точек на основе сверхструктурных фаз упорядочения для создания оптоэлектронных приборов в других материальных системах в литературе отсутствуют. Вместе с тем такие квантовые ямы и квантовые точки могли бы быть использованы для диапазона излучения в длинноволновую область и в тех системах твердых растворов, в которых не стоит проблемы II-рода. Так, по нашим расчетам, в системе Ga-In-As-P возможно получение КЯ W-типа и систем на квантовых точках с хорошей локализацией электронов и дырок. Поэтому представляется интересным и актуальным исследование излучательных характеристик новых гетерооструктур и в других материальных системах с целью создания эффективных оптоэлектронных приборов.
Для компенсации напряжений во избежание возникновения дефектов в лазерную структуру могут быть введены примыкающие к активной области слои твердого раствора вычитания A3B5 с противоположным по знаку напряжением.
Эти слои создают барьеры для носителей заряда на границе квантовая яма/волновод, что ведет к возрастанию токов. Использование квантовых ям W-типа может позволить не только увеличить длину волны излучения, но и уменьшить напряжения в самой активной области, тем самым снизить потери и улучшить параметры. Поэтому изучение излучательных характеристик квантовых ям W- типа, представляющих собой комбинацию слоев твердых растворов в системе Ga-In-As-P, является актуальным в плане фундаментальных исследований и с практической точки зрения.
Поэтому, настоящий проект направлен на исследование воз-
139
можностей:
–получения эпитаксиальных гетероструктур c нанодоменами и сверхструктурными фазами, обладающих высоким квантовым выходом;
–разработку новых типов гетероструктур и устройств, а именно высокоэффективных фотопреобразователей солнечной энергии и низкоэнергоемких лезеров с использованием доменной структуры фаз упорядочения; управление свойствами полупроводниковых соединений по средствам контролируемой эффективной релаксации упругих напряжений;
Тема предлагаемого проекта непосредственно связана с работой в рамках Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2013 годы" и реализации ее в ГОУ ВПО Воронежский государственный университет и Учреждении РАН ФТИ им. А.Ф. Иоффе.
Научная и практическая значимость проблемы исследования заключается в том, что настоящий проект направлен на исследование возможностей управления свойствами полупроводниковых соединений, разработку новых типов гетероструктур и устройств с использованием твердого сверхструктурных фаз упорядочения и нанодоменов, образующимися в результате спинодального распада тройных и четверных твердых растворов, модификацию фундаментальных свойств соединений, возникающих при спинодальном распаде твердых растворов,
Решение этих задач представляет большой практический интерес, поскольку в настоящее время реализация огромных возможностей опто- и микроэлектроники, связанных с использованием новых многокомпонентных и многослойных материалов, микро- и наноструктур, в значительной степени сдерживается технологическими трудностями их изготовления. С другой стороны, многие из этих задач интересны с точки зрения фундаментальной физики, а развитые к настоящему времени технологические и экспериментальные методы позволяют проверять справедливость тех или иных теоретических моделей.
Выполнение целей проекта будет проводиться по следующей методике:
1. Получение образцов гетероструктур c нанодоменами и сверхструктурными фазами, гетероструктур на основе твердых растворов вычитания, образцов квантовых ям W-типа на основе
140