КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-22-00949

НазваниеЭффективные InGaAs/GaAs микродисковые лазеры с асимметричными барьерными слоями

Руководитель Зубов Федор Иванович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" , г Санкт-Петербург

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-303 - Физика лазеров

Ключевые слова полупроводниковые лазерные диоды, микролазеры, асимметричные барьерные слои, микродиски, самоорганизующиеся квантовые точки, молекулярно-пучковая эпитаксия

Код ГРНТИ29.33.15

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В проекте будут впервые разработаны и исследованы полупроводниковые микродисковые лазеры InGaAs/GaAs, вертикальный волновод которых содержит асимметричные барьерные слои (АБС). Ранее исполнителями проекта было показано, что использование АБС позволяет улучшить характеристики полосковых лазеров, однако исследований микролисковых лазеров с АБС не проводилось ни авторами настоящей заявки, ни какими-либо другими научными группами в мире. Тонкие, толщиной несколько нанометров, АБС располагаются в непосредственной близости от активной области по обе ее стороны и позволяют подавить паразитную электронно-дырочную рекомбинацию в волноводных (и эмиттерных) слоях лазерной гетероструктуры. В той или иной степени паразитная рекомбинация происходит во всех гетероструктурах лазерных диодов традиционной конструкции, вне зависимости от типа резонатора (в том числе в микролазерах). Наиболее остро она проявляется, когда энергия локализации носителей заряда в активной области мала (длина волны генерации около 1 мкм и менее) и/или прибор работает при повышенных температурах, в том числе за счет саморазогрева при высоких плотностях токов накачки. Последнее типично для микродисковых лазеров. Паразитная рекомбинация лимитирует эффективность лазерной генерации (КПД прибора), ухудшает температурную стабильность и тем самым ограничивает максимальную выходную мощность. В идеале АБС со стороны n-эмиттера (p-эмиттера) полностью блокирует транспорт дырок (электронов) и не препятствует поступлению электронов (дырок) в активную область. В результате имеет место только полезная рекомбинация электронов и дырок в активной области, а паразитная рекомбинация в волноводе полностью устраняется. Коллектив участников проекта имеет существенный опыт в разработке и исследовании лазеров с АБС (ЛАБС): нами впервые на практике реализованы ЛАБС, разработаны теоретические модели, описывающие физические процессы в ЛАБС и их рабочие характеристики. Тем не менее, существует ещё целый ряд нерешенных вопросов по данной тематике. В частности, реализованные ранее на практике АБС, имели недостаточную эффективность (низкую степень подавления паразитных туннельных потоков) для полной реализации потенциала предложенной концепции. Также отсутствует ясная картина физических процессов, происходящих в ЛАБС, в частности неизвестно точное пространственное распределение носителей заряда в волноводной области в присутствие АБС. Для решения этих и других значимых вопросов в настоящем проекте мы будем проводить моделирование ЛАБС методом конечных разностей, учитывающее дрейф и диффузию носителей, их туннелирование сквозь АБС и искривление краёв зоны проводимости и валентной зоны за счет электрических полей некомпенсированных зарядов носителей, блокированных АБС на противоположных сторонах структуры, и другие важные особенности. Будут установлены требования к АБС для эффективного подавления паразитной рекомбинации. В соответствии с ними, используя ранее разработанную нами методику численного поиска материалов АБС среди соединений, применяемых при синтезе гетероструктур, будут рассчитаны оптимальные конструкции АБС. В проекте планируется впервые на практике использовать Sb-содержащие твердые растворы для создания эффективных АБС, которые в соответствии с предварительными расчетами обладают существенно большими степенями подавления паразитных потоков в сравнении с традиционными материалами, ранее использовавшимися для создания АБС. Перед синтезом лазерной структуры с АБС, будет проводиться синтез и исследования специальных тестовых структур содержащих одиночные АБС для электронов и дырок (технологический поиск), что позволит непосредственно измерить степени подавления туннельных потоков через АБС и проверить/уточнить результаты расчетов. По результатам технологического поиска будут определены оптимальные конструкции АБС для использования в лазерной гетероструктуре. В проекте планируется впервые применить концепцию ЛАБС для улучшения характеристик микродисковых лазеров. Ожидается, что применение оптимальных АБС в InGaAs/GaAs микродисковых лазерах с диаметрами около 10 мкм на основе квантовых точек (длина волны излучения около 1.1 мкм) позволит эффективно подавить паразитную рекомбинацию и превзойти за счет этого лучшие мировые значения лазерной мощности, КПД и температурной стабильности среди приборов сопоставимого размера данного спектрального диапазона. Значимость настоящего проекта также обусловлена тем, что результаты разработки в нем АБС для InGaAs/GaAs микролазеров могут быть впоследствии востребованы для разработки ЛАБС на основе других систем материалов, для других спектральных диапазонов, а также при разработке иных полупроводниковых приборов, например, суперлюминесцентных диодов и солнечных элементов, в которых также может сильно проявляться паразитная рекомбинация. В проекте будут также определены или уточнены материальные параметры новых полупроводниковых соединений для АБС (в том числе Sb-содержащих), что также является значимым для развития физики и технологии гетероструктур и новых приборов на их основе.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---