Название:Молекулярно-пучковая эпитаксия многофункциональных узкозонных наногетероструктур A3B5 и гетеровалентных структур А3В5/А2В6 на их основе
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники
Научная дисциплина:02-204, 02-304
Ключевые слова:Молекулярно-пучковая эпитаксия, узкозонный полупроводник, InAsSb, гетероструктура, квантовая яма, квантовые точки, фотолюминесценция, средний ИК диапазон, электронный газ, гетеровалентный интерфейс, ZnCdMnSeTe, метаморфный, полумагнитный, спин, g-фактор
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Копьев,ПС
Подразделения:
Код проекта:15-12-30022
Финансирование 2015 г.:
Основная цель проекта – развитие метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) для создания новых типов многофункциональных гетероструктур на основе узкозонных полупроводниковых соединений А3В5, включая гетеровалентные структуры, состоящие из двух полноценных решеточно-согласованных частей - А3В5 и А2В6. Такие гетероструктуры практически невозможно реализовать другими методами. Формирование методом МПЭ и исследование фундаментальных свойств А3В5/А2В6 гетеровалентных структур, а также широкого спектра узкозонных А3В5 наноструктур с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками (КТ), будет способствовать расширению элементной базы современной оптоэлектроники среднего инфракрасного (ИК) диапазона и спинтроники. Классические узкозонные соединения InAs и InSb обладают уникальной комбинацией выигрышных особенностей, определяющих перспективность их использования в оптоэлектронике среднего ИК диапазона и спинтронике: малая ширина запрещенной зоны, рекордно малая эффективная масса носителей заряда, большие величины подвижности и собственного g-фактора, а также сильное спин-орбитальное взаимодействие. Уникальной является возможность формирования низкоразмерных наногетероструктур как I, так и II типа сопряжения зон в комбинации с изорешеточными к ним соединениями AlGaInAsSb. Возможности зонного конструирования существенно расширяются при создании когерентных (изорешеточных) гетеровалентных гетероструктур А3В5/А2В6, в которых узкозонная часть сочетается с широкозонной, выполненной из полупроводниковых соединений в системе ZnCdSeTe. Это позволит, с одной стороны, радикально улучшить электронное ограничение дырок и оптическое ограничение в узкозонных А3В5 активных областях излучателей среднего ИК диапазона, что будет способствовать повышению их мощности и рабочей температуры. С другой стороны, появляется возможность организовать эффективное обменное взаимодействие между спинами носителей, локализованных в КЯ или КТ А3В5 с магнитными моментами ионов переходных металлов (Mn), изовалентно встроенных в А2В6 барьерные слои. В проекте планируется развитие технологии МПЭ - одной из самых прецизионных эпитаксиальных технологий, для создания ряда перспективных типов гетероструктур. Во-первых, будут создаваться или модернизироваться системы, обладающие высокой эффективностью излучательной рекомбинации в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2-4 мкм). Это - структуры с чистыми или полумагнитными КЯ InAs/InGaAs, выращенными на подложках GaAs с использованием метаморфного буфера AlInAs, а также оригинальные наноструктуры InSb/InAs/InGaAs с ультратонкой (менее 2 монослоев) вставкой InSb в InAs КЯ. Структурам с такими КЯ свойственна хорошая локализация неравновесных носителей заряда в квантово-размерной области. Применение вставки InSb дополнительно усиливает эффекты локализации за счет самоорганизованного формирования КТ и позволяет увеличить длину волны излучения. Спин-зависимые эффекты в таких структурах будут более отчетливыми как благодаря большему g-фактору электрона в InSb, так и за счет использования верхнего гетеровалентного барьера из разбавленного магнитного полупроводника ZnCdMnSe, способного выполнять функции n-эмиттера спин-поляризованных электронов. Во-вторых, это - когерентные гибридные структуры, включающие слои полупроводниковых соединений A2B6 в системе ZnMnTe и квантовую яму InAs, сформированную на базе гетероструктуры AlGaSb/InAs. Уникальность системы состоит в том, что в ней может быть реализован двумерный электронный канал с высокой подвижностью, обладающий полумагнитными свойствами за счет эффекта близости с ионами Mn в А2В6 барьере КЯ. В третьих, в плане повышения мощности излучателей среднего ИК диапазона с длиной волны 3-3.3 мкм на основе гетероструктур с напряженными КЯ типа I AlGaAsSb/Ga_{1−x}In_xAs_ySb_{1−y} (x>0.5) и увеличения свыше 3.3 мкм их максимальной длины волны излучения предлагается создать на их основе гибридные гетероструктуры лазерных диодов с n-эмиттером CdMgSe:Cl, который, как ожидается, позволит преодолеть фундаментальную проблему дырочного ограничения в КЯ узкозонных соединений А3В5, усиливающуюся по мере увеличения содержания In в КЯ, а также резко увеличить фактор оптического ограничения световой волны в лазерном волноводе. И наконец, четвертым объектом исследования будут гетероструктуры на основе p-n перехода InAs. Магнито-фотолюминесценция (ФЛ) таких структур обладает удивительной особенностью, открытой коллективом участников, заключающейся в аномально высокой степени циркулярной поляризации. Механизм возникновения этого явления и способы управления степенью поляризации подлежат изучению. Основными методами исследований технологических процессов МПЭ и структурного совершенства создаваемых гетероструктур будут дифракция быстрых отраженных электронов, рентгеновская дифрактометрия, а также атомно-силовая и электронная микроскопии. Особое внимание будет уделено влиянию качества гетеровалентных интерфейсов и эффекта их близости на оптические и транспортные свойства гибридных структур. Основными методами исследования оптических свойств чистых и полумагнитных гетероструктур будет измерение фото- и электролюминесценции (ФЛ и ЭЛ), в том числе и магнито-ФЛ с поляризационным разрешением, являющейся исключительно информативной и эффективной методикой прямого измерения спинового расщепления носителей. Для исследования узкозонных гетероструктур, излучающих свет в среднем ИК диапазоне, данный метод ранее практически не применялся, равно как и оригинальная методика фотомодуляционной ИК фурье-спектроскопии, которая будет использована для детального исследования зонной структуры создаваемых гетероструктур и уровня легирования составляющих их слоев. Применение магнито-ФЛ совместно с магнитотранспортными (эффект Холла, осцилляции Шубникова-де Гааза) и фото-гальваническими (спиновые фототоки, индуцированные микроволновым излучением) методами исследования, позволит впервые в мире не только детально изучить магнитное квантование обоих типов носителей в актуальных системах, но и связанные с ним особенности излучательной рекомбинации в практически важном спектральном диапазоне. Результаты исследований будут иметь исключительно важное значение для разработки принципов создания методом МПЭ и использования новых типов гетеровалентных гетероструктур в качестве элементной базы современной оптоэлектроники практически важного среднего ИК диапазона, а также для понимания фундаментальных спиновых явлений и механизмов излучательной рекомбинации в узкозонных полупроводниковых наногетероструктурах А3В5 с большим g-фактором и спин-орбитальным взаимодействием. Результаты исследований будут доложены на 19-ом Европейском симпозиуме по молекулярно-пучковой эпитаксии, который будет проводиться силами коллектива исполнителей проекта в 2017 году в Санкт-Петербурге, и других крупных регулярных российских и международных конференциях по тематике проекта, а также станут предметом обсуждения на двух международных научных школах, организованных в рамках реализации данного проекта.
Ожидаемые результаты
1. Разработка дизайна и технологии МПЭ нового типа высококачественных двойных гетероструктур In(Ga)As/InAlAs c напряженной узкозонной квантовой ямой (КЯ) InAs, в том числе и с ультратонкой вставкой InSb, выращенных на подложках GaAs и излучающих в среднем ИК диапазоне (2-4 мкм). Высокое структурное качество активной области будет обеспечено использованием ступенчатого градиентного метаморфного буфера AlInAs, а эффективность излучательной рекомбинации в квантовых структурах InAs(Sb) будет дополнительно усилена локализационными эффектами в напряженной 1-2 монослойной InSb вставке за счет формирования самоорганизующихся КТ. Эти структуры могут создать реальную конкуренцию традиционной для излучателей среднего ИК диапазона системе c КЯ AlGaAsSb/InGaAsSb. 2. Разработка и создание методом МПЭ оригинальных гибридных гетероструктур свето- и лазерных диодов с напряженными КЯ типа I p-AlGaAsSb/GaInAsSb/n-CdMgSe:Cl на подложках GaSb, демонстрирующих излучение в среднем ИК диапазоне с длиной волны 3.0-3.5 мкм. 3. Создание методом МПЭ на метаморфном буфере AlInAs уникальных полумагнитных гетеровалентных гетероструктур c напряженными КЯ InGaAs/InAs/ZnCd(Mn)Se, магнитные свойства которых усилены наличием вставки InSb с большим электронным g-фактором, либо процессами спиновой инжекции из разбавленного магнитного полупроводника А2В6, либо обменным взаимодействием электронных спинов с магнитными моментами ионов марганца, локализованных вблизи А3В5/А2В6 интерфейса. 4. Разработка и создание методом МПЭ на подложках GaAs уникальных когерентных гибридных гетероструктур, включающих в себя барьерные слои полупроводников А3В5 (AlGaSb) и А2В6, в том числе и полумагнитных Zn(Mn)Te, и квантовую яму InAs с двумерным электронным газом с высокой подвижностью электронов, обладающим полумагнитными свойствами. 5. Разработка и создание оригинальных гетероструктур p-n переходов на основе InAs со встроенным электрическим полем, конструкция которых в отсутствии магнитных примесей обеспечивает максимальную степень циркулярной поляризации рекомбинационного излучения в магнитном поле, управляемую внешним электрическим полем. 6. Результаты экспериментальных и теоретических исследований методами фото- и электролюминесценции и фотомодуляционной фурье-спектроскопии узкозонных гетероструктур А3В5 и гибридных гетероструктур А3В5/А2В6 с напряженными КЯ In(Ga)As(Sb), выращенных на подложках GaAs (через метаморфный буфер) и GaSb и излучающих в среднем ИК диапазоне 3-5 мкм (пп. 1-3). Анализ возможности использования данных оригинальных диодных гетероструктур для создания эффективных источников стимулированного излучения в данном диапазоне длин волн. 7. Результаты экспериментальных и теоретических исследований фундаментальных спин-зависимых оптических и гальваномагнитных свойств новых узкозонных А3В5 и гибридных А3В5/А2В6 квантоворазмерных гетероструктур методами оптической спектроскопии (фотолюминесценция), магнитооптической спектроскопии (магнито-фотолюминесценция) и магнитотранспорта (эффект Холла, осцилляции Шубникова-де Гааза) (пп. 2-5). 8. Результаты экспериментальных и теоретических исследований фундаментальных спин-зависимых свойств гибридных А2В6/А3В5 гетероструктур с двумерным магнитным электронным газом в InAs канале (пп. 3,4) методом измерения спиновых фототоков, индуцированных микроволновым излучением 9. Анализ возможностей использования перечисленных выше гетероструктур с квантовыми ямами InAs и квантовыми точками InSb/InAs, в том числе и гибридных А3В5/А2В6, для создания инжекторов поляризованных по спину электронов и источников циркулярно-поляризованного излучения. Перечисленные ожидаемые научные результаты соответствуют современному мировому уровню в областях: - синтеза многофункциональных полупроводниковых наногетероструктур методом МПЭ для развития таких направлений современной наноэлектроники, как оптоэлектроника среднего ИК диапазона и спинтроника, - экспериментальных и теоретических исследований спин-зависимых оптических и транспортных явлений в таких низкоразмерных структурах, - исследования возможности их применений для оптимизации и модернизации телекоммуникационных систем среднего ИК диапазона. Существенным результатом проекта будет являться проведение силами коллектива исполнителей в 2017 году в Санкт-Петербурге 19-го Европейского симпозиума по молекулярно-пучковой эпитаксии с участием ведущих ученых Европы, Азии и Америки в области технологии МПЭ и создаваемых с ее помощью полупроводниковых наногетероструктур для фундаментальных исследований и приборных применений. Результаты исследований будут доложены на данном симпозиуме и других крупных регулярных российских и международных конференциях по тематике проекта, а также опубликованы в виде серии статей в ведущих международных и отечественных научных журналах (Applied Physics Letters, Physical Review B, Semiconductor Science and Technology, Journal of Applied Physics, Physica Status Solidi, Journal of Crystal Growth, Физика и техника полупроводников, Письма в ЖТФ и др.).