eng
Выпуск #3/2016
А.Алексеев, С.Иванов, С.Сорокин
Тандем отечественной науки и производства для решения перспективных задач оптоэлектроники
Тандем отечественной науки и производства для решения перспективных задач оптоэлектроники
Просмотры: 2795
Представлено модернизированное оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур на основе широкозонных полупроводниковых соединений А2В6.
Одной из основных технологий получения широкозонных материалов является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), которая обеспечивает уникальные возможности точного контроля параметров растущих слоев, в том числе на атомарном уровне, что необходимо при изготовлении квантово-размерных структур. Возможность роста при сравнительно низких температурах подложки, отсутствие водородного загрязнения выращенных слоев – преимущества МЛЭ по сравнению с другими технологиями на основе газофазной эпитаксии.[1]
ФТИ им. А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург) – один из ведущих научных центров в России – занимается исследованием широкозонных полупроводниковых соединений А2В6 для создания оптоэлектронных приборов. В 2009 году в лаборатории квантово-размерных гетероструктур была завершена инсталляция двухреакторного комплекса молекулярно-лучевой эпитаксии STE3526 производства ЗАО "НТО" (рис.1). Сегодня ЗАО "НТО" – единственный отечественный производитель, серийно разрабатывающий и выпускающий системы МЛЭ мирового уровня. Предприятие, расположенное в Санкт-Петербурге, на протяжении 15 лет разрабатывает и производит под маркой SemiTEq® широкий спектр современных установок для молекулярно-лучевой эпитаксии и формирования тонкопленочных структур на пластине в технологическом маршруте разработки и производства чипов дискретных приборов и микросхем. Двухреакторный комплекс STE3526 был сконфигурирован специалистами компании в тесном сотрудничестве с сотрудниками института для решения перспективных задач в ФТИ им. А.Ф.Иоффе и до сих пор считается наиболее технически сложной системой в продуктовой линейке компании. Особенностью комплекса является обеспечение ультрачистого сверхвысоковакуумного транспорта подложки из А3В5-реактора в реактор для выращивания соединений А2В6 для предотвращения неконтролируемых загрязнений ростового интерфейса на поверхности буферного слоя GaAs.
Группа молекулярно-лучевой эпитаксии лаборатории квантово-размерных гетероструктур ФТИ им. А.Ф.Иоффе, которую возглавляет С.И.Иванов, на базе STE3526 занимается исследованиями фундаментальных физических свойств низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур (квантовых ям, сверхрешеток, квантовых точек) на основе широкозонных полупроводниковых соединений А2В6 – (Zn,Cd,Mg,Mn) / (Se,S,Te). Наряду с этим проводятся фундаментальные исследования в области спин-электроники с использованием разбавленных магнитных полупроводников.
Одна из наиболее перспективных задач лаборатории – создание оптоэлектронных приборов зеленого и зелено-желтого спектрального диапазонов на основе широкозонных соединений А2В6. В связи с проблемой деградации лазерных диодов (ЛД) на основе ZnSe, во многом обусловленной нестабильностью азотного акцептора, исследования лаборатории квантово-размерных гетероструктур были сфокусированы на разработке альтернативных путей получения лазерной генерации: создании сине-зеленых полупроводниковых лазерных конвертеров А2В6/A3N (эффективность конверсии до η = 25,4%) и полупроводниковых лазеров А2В6 с электронно-лучевой накачкой (ПЛЭН). В частности, при создании лазеров была получена генерация при рекордно низких значениях пороговой плотности тока пучка – около 0,5 А/см 2 при температуре 300K, а также продемонстрирована возможность получения импульсной выходной мощности более 600 Вт для 26-элементной лазерной сборки на основе гетероструктуры (ГС) с десятью квантовыми ямами (КЯ) в расширенном (~2 мкм) волноводе.
Значительный прогресс в 2013–2015 годах был достигнут и при разработке компактных лазерных конвертеров A3N/А2В6. Несмотря на прорыв в области создания прямоизлучающих ЛД зеленого диапазона на соединении A3N, в частности, совместными усилиями Sumitomo SEI & Sony AML в 2012 году, были продемонстрированы непрерывные InGaN ЛД, выращенные на полуполярных GaN-подложках (11–22) с λ = 525–530 нм (время жизненного цикла в непрерывном режиме – до 5 000 ч). "Истинный" зеленый (540–550 нм), а также желто-зеленый и особенно желтый диапазоны видимого спектра (560–590 нм) на данном этапе развития остаются "нишей" для полупроводниковых лазеров на основе широкозонных соединений А2В6.
Реализация мощных импульсных ПЛЭН, а также необходимость дальнейшего снижения пороговой плотности мощности до уровня менее 1 кВт/см 2 в лазерных гетероструктурах с оптической накачкой, используемых при создании компактных сине-зеленых A3N/А2В6 лазерных конвертеров, предъявляют высокие требования к технологии их выращивания методом МЛЭ. В частности, немаловажными факторами в получении ГС с низкой плотностью структурных дефектов и повышенной деградационной стойкостью являются использование оптимизированной процедуры начальной стадии роста и применение метода компенсации напряжений при конструировании ГС.
Лазерные ГС Cd(Zn)Se/ZnMgSSe были выращены методом МЛЭ псевдоморфно на подложках GaAs (001) с использованием буферного слоя GaAs в двухреакторном комплексе МЛЭ STE3526 при температуре эпитаксии TS ≈ 265–270°C. В качестве материалов источников молекулярных пучков применялись стандартные эффузионные ячейки для Zn, Mg, Cd и ZnS (последний является источником одновременно S и Zn), а также источник Se с высокотемпературным разложителем и клапаном. Использовался прямой радиационный нагрев подложки. Гетероэпитаксиальный рост GaAs/ZnSe инициировался в режиме низкотемпературной (Ts ≈ 210°C) эпитаксии с повышенной миграцией атомов (ЭПМ). Для защиты поверхности буферного слоя GaAs от загрязнений элементами VI группы и сохранения реконструкции поверхности (2 Ч 4) As до начала МЛЭ-роста температура подложки повышалась до рабочего значения (т. е. до 210°C при ЭПМ) при закрытой главной заслонке и пониженной на 200°C относительно рабочего значения температуре источника ZnS. Описанная процедура начальной стадии гетероэпитаксии продемонтрировала возможность снижения плотности дефектов упаковки (ДУ) в лазерных ГС А2В6 на GaAs до уровня ~104 см–2.
В работах группы из ФТИ им. А.Ф.Иоффе представлены основные подходы к конструированию и выращиванию по методу МЛЭ волноводной и активной областей лазерных гетероструктур в системе ZnMgSSe с множественными плоскостями квантовых точек (КТ) CdSe или КЯ ZnCdSe. В частности, разработан метод прецизионной компенсации напряжений, вводимых в структуру несколькими активными областями КТ, за счет изменения среднего рассогласования по периоду решетки волноводных сверхрешеток ZnSSe/ZnSe с подложкой GaAs. Также был предложен способ уменьшения плотности неравновесных точечных дефектов в активной области лазерных структур А2В6, который заключается в использовании режима ЭПМ при выращивании КЯ ZnSe, ограничивающей плоскость КТ CdSe. Это привело к 20% снижению пороговой плотности мощности лазерной гетероструктуры с одиночной плоскостью КТ CdSe и асимметричным градиентным сверхрешеточным волноводом до рекордного значения ~0,8 кВт/см 2 (300K).
Изображение активной области такой лазерной ГС, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в геометрии поперечного сечения, представлено на рис.2. На изображении хорошо различимы переменно-напряженные волноводные сверхрешетки Zn(Mg)SSe c варьируемым периодом и толщиной и активная область на основе одиночной плоскости КТ CdSe в раcширенной КЯ ZnSe. В качестве дальнейших шагов снижения пороговой плотности мощности лазерных гетероструктур А2В6 с КТ специалистам ФТИ им. А.Ф.Иоффе представляется перспективным изменение режимов эпитаксиального роста ограничивающих и волноводных слоев лазерной ГС.
Сотрудники ФТИ им. А.Ф.Иоффе находятся в постоянной и тесной кооперации с инженерами-технологами производителя специального технологического оборудования ЗАО "НТО". Совместная работа дает возможность компании продолжать совершенствовать свое оборудование. Именно результаты длительной эксплуатации сложных систем позволяют специалистам оценивать необходимые изменения в конструкции, что обеспечивает непрерывное улучшение продуктов компании. В 2015 году ЗАО "НТО" модернизировало систему STE35 для роста материалов A3B5 (рис.3). Применение принципиально новой модернизированной ростовой камеры позволило решить сразу несколько ключевых задач:
• уменьшить количество портов для подачи азота. Для удобства обслуживания теперь все они расположены на крышке камеры;
• объединить две криопанели в одну для повышения эффективности потребления жидкого азота;
• увеличить количество портов для установки источников материалов;
• реализовать возможность полного визуального контроля за источниками материалов и заслонками за счет увеличения количества смотровых окон.
Тесная кооперация производителей и научных центров благоприятно сказывается на разработке отечественного оборудования для перспективных задач создания ЭКБ, а значит, будет способствовать реализации стратегии импортозамещения в России.
ЗАО "НТО"
194156, г. Санкт-Петербург, пр. Энгельса, 27 к.5 лит. А
www.semiteq.ru
sales@semiteq.ru
Тел.: +7 812 601 06 05
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 ЗАО "НТО", sales@semiteq.ru.
2 ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ivan@beam.ioffe.ru.
3 ФТИ им. А.Ф.Иоффе, sorokin@beam.ioffe.rssi.ru.
ФТИ им. А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург) – один из ведущих научных центров в России – занимается исследованием широкозонных полупроводниковых соединений А2В6 для создания оптоэлектронных приборов. В 2009 году в лаборатории квантово-размерных гетероструктур была завершена инсталляция двухреакторного комплекса молекулярно-лучевой эпитаксии STE3526 производства ЗАО "НТО" (рис.1). Сегодня ЗАО "НТО" – единственный отечественный производитель, серийно разрабатывающий и выпускающий системы МЛЭ мирового уровня. Предприятие, расположенное в Санкт-Петербурге, на протяжении 15 лет разрабатывает и производит под маркой SemiTEq® широкий спектр современных установок для молекулярно-лучевой эпитаксии и формирования тонкопленочных структур на пластине в технологическом маршруте разработки и производства чипов дискретных приборов и микросхем. Двухреакторный комплекс STE3526 был сконфигурирован специалистами компании в тесном сотрудничестве с сотрудниками института для решения перспективных задач в ФТИ им. А.Ф.Иоффе и до сих пор считается наиболее технически сложной системой в продуктовой линейке компании. Особенностью комплекса является обеспечение ультрачистого сверхвысоковакуумного транспорта подложки из А3В5-реактора в реактор для выращивания соединений А2В6 для предотвращения неконтролируемых загрязнений ростового интерфейса на поверхности буферного слоя GaAs.
Группа молекулярно-лучевой эпитаксии лаборатории квантово-размерных гетероструктур ФТИ им. А.Ф.Иоффе, которую возглавляет С.И.Иванов, на базе STE3526 занимается исследованиями фундаментальных физических свойств низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур (квантовых ям, сверхрешеток, квантовых точек) на основе широкозонных полупроводниковых соединений А2В6 – (Zn,Cd,Mg,Mn) / (Se,S,Te). Наряду с этим проводятся фундаментальные исследования в области спин-электроники с использованием разбавленных магнитных полупроводников.
Одна из наиболее перспективных задач лаборатории – создание оптоэлектронных приборов зеленого и зелено-желтого спектрального диапазонов на основе широкозонных соединений А2В6. В связи с проблемой деградации лазерных диодов (ЛД) на основе ZnSe, во многом обусловленной нестабильностью азотного акцептора, исследования лаборатории квантово-размерных гетероструктур были сфокусированы на разработке альтернативных путей получения лазерной генерации: создании сине-зеленых полупроводниковых лазерных конвертеров А2В6/A3N (эффективность конверсии до η = 25,4%) и полупроводниковых лазеров А2В6 с электронно-лучевой накачкой (ПЛЭН). В частности, при создании лазеров была получена генерация при рекордно низких значениях пороговой плотности тока пучка – около 0,5 А/см 2 при температуре 300K, а также продемонстрирована возможность получения импульсной выходной мощности более 600 Вт для 26-элементной лазерной сборки на основе гетероструктуры (ГС) с десятью квантовыми ямами (КЯ) в расширенном (~2 мкм) волноводе.
Значительный прогресс в 2013–2015 годах был достигнут и при разработке компактных лазерных конвертеров A3N/А2В6. Несмотря на прорыв в области создания прямоизлучающих ЛД зеленого диапазона на соединении A3N, в частности, совместными усилиями Sumitomo SEI & Sony AML в 2012 году, были продемонстрированы непрерывные InGaN ЛД, выращенные на полуполярных GaN-подложках (11–22) с λ = 525–530 нм (время жизненного цикла в непрерывном режиме – до 5 000 ч). "Истинный" зеленый (540–550 нм), а также желто-зеленый и особенно желтый диапазоны видимого спектра (560–590 нм) на данном этапе развития остаются "нишей" для полупроводниковых лазеров на основе широкозонных соединений А2В6.
Реализация мощных импульсных ПЛЭН, а также необходимость дальнейшего снижения пороговой плотности мощности до уровня менее 1 кВт/см 2 в лазерных гетероструктурах с оптической накачкой, используемых при создании компактных сине-зеленых A3N/А2В6 лазерных конвертеров, предъявляют высокие требования к технологии их выращивания методом МЛЭ. В частности, немаловажными факторами в получении ГС с низкой плотностью структурных дефектов и повышенной деградационной стойкостью являются использование оптимизированной процедуры начальной стадии роста и применение метода компенсации напряжений при конструировании ГС.
Лазерные ГС Cd(Zn)Se/ZnMgSSe были выращены методом МЛЭ псевдоморфно на подложках GaAs (001) с использованием буферного слоя GaAs в двухреакторном комплексе МЛЭ STE3526 при температуре эпитаксии TS ≈ 265–270°C. В качестве материалов источников молекулярных пучков применялись стандартные эффузионные ячейки для Zn, Mg, Cd и ZnS (последний является источником одновременно S и Zn), а также источник Se с высокотемпературным разложителем и клапаном. Использовался прямой радиационный нагрев подложки. Гетероэпитаксиальный рост GaAs/ZnSe инициировался в режиме низкотемпературной (Ts ≈ 210°C) эпитаксии с повышенной миграцией атомов (ЭПМ). Для защиты поверхности буферного слоя GaAs от загрязнений элементами VI группы и сохранения реконструкции поверхности (2 Ч 4) As до начала МЛЭ-роста температура подложки повышалась до рабочего значения (т. е. до 210°C при ЭПМ) при закрытой главной заслонке и пониженной на 200°C относительно рабочего значения температуре источника ZnS. Описанная процедура начальной стадии гетероэпитаксии продемонтрировала возможность снижения плотности дефектов упаковки (ДУ) в лазерных ГС А2В6 на GaAs до уровня ~104 см–2.
В работах группы из ФТИ им. А.Ф.Иоффе представлены основные подходы к конструированию и выращиванию по методу МЛЭ волноводной и активной областей лазерных гетероструктур в системе ZnMgSSe с множественными плоскостями квантовых точек (КТ) CdSe или КЯ ZnCdSe. В частности, разработан метод прецизионной компенсации напряжений, вводимых в структуру несколькими активными областями КТ, за счет изменения среднего рассогласования по периоду решетки волноводных сверхрешеток ZnSSe/ZnSe с подложкой GaAs. Также был предложен способ уменьшения плотности неравновесных точечных дефектов в активной области лазерных структур А2В6, который заключается в использовании режима ЭПМ при выращивании КЯ ZnSe, ограничивающей плоскость КТ CdSe. Это привело к 20% снижению пороговой плотности мощности лазерной гетероструктуры с одиночной плоскостью КТ CdSe и асимметричным градиентным сверхрешеточным волноводом до рекордного значения ~0,8 кВт/см 2 (300K).
Изображение активной области такой лазерной ГС, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в геометрии поперечного сечения, представлено на рис.2. На изображении хорошо различимы переменно-напряженные волноводные сверхрешетки Zn(Mg)SSe c варьируемым периодом и толщиной и активная область на основе одиночной плоскости КТ CdSe в раcширенной КЯ ZnSe. В качестве дальнейших шагов снижения пороговой плотности мощности лазерных гетероструктур А2В6 с КТ специалистам ФТИ им. А.Ф.Иоффе представляется перспективным изменение режимов эпитаксиального роста ограничивающих и волноводных слоев лазерной ГС.
Сотрудники ФТИ им. А.Ф.Иоффе находятся в постоянной и тесной кооперации с инженерами-технологами производителя специального технологического оборудования ЗАО "НТО". Совместная работа дает возможность компании продолжать совершенствовать свое оборудование. Именно результаты длительной эксплуатации сложных систем позволяют специалистам оценивать необходимые изменения в конструкции, что обеспечивает непрерывное улучшение продуктов компании. В 2015 году ЗАО "НТО" модернизировало систему STE35 для роста материалов A3B5 (рис.3). Применение принципиально новой модернизированной ростовой камеры позволило решить сразу несколько ключевых задач:
• уменьшить количество портов для подачи азота. Для удобства обслуживания теперь все они расположены на крышке камеры;
• объединить две криопанели в одну для повышения эффективности потребления жидкого азота;
• увеличить количество портов для установки источников материалов;
• реализовать возможность полного визуального контроля за источниками материалов и заслонками за счет увеличения количества смотровых окон.
Тесная кооперация производителей и научных центров благоприятно сказывается на разработке отечественного оборудования для перспективных задач создания ЭКБ, а значит, будет способствовать реализации стратегии импортозамещения в России.
ЗАО "НТО"
194156, г. Санкт-Петербург, пр. Энгельса, 27 к.5 лит. А
www.semiteq.ru
sales@semiteq.ru
Тел.: +7 812 601 06 05
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 ЗАО "НТО", sales@semiteq.ru.
2 ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ivan@beam.ioffe.ru.
3 ФТИ им. А.Ф.Иоффе, sorokin@beam.ioffe.rssi.ru.
Отзывы читателей
