ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ И ПОЛЕВЫХ СВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ

June 27, 2012 by admin Комментировать »

Ж. И. Алферов, Н. А. Малеев, Н. Н. Леденцов, В. М. Устинов Физико-технический институт им. Иоффе РАН 194021, г. С-Петербург, Политехничская, 26 * тел. (+7-812) 247-91-32, e-mail: maleev@beam.ioffe.rssi.ru


Аннотация Представлены результаты по разработке конструкций и технологии изготовления эпитаксиальных гетероструктур для полевых СВЧ-транзисторов и полупроводниковых лазеров различного типа. Разработана технология получения гетероструктур в системах материалов AIGaAs/lnGaAs/GaAs, InAIAs/lnGaAs/lnP и AIGaN/GaN для полевых СВЧ-транзисторов. На основе псевдоморфных гетероструктур AIGaAs/lnGaAs/GaAs изготовлены полевые СВЧтранзисторы с коэффициентом шума 0,6-0,8 дБ при коэффициенте усиления свыше 11 дБ на частоте 12 ГГц. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках арсенида галлия получены гетероструктуры с квантовыми точками InAs/lnGaAs, на основе которых созданы одномодовые лазерные диоды и вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ) диапазона длин волн 1300 нм. Разработана технология изготовления ВИЛ диапазона длин волн 960-980 нм с пороговыми токами менее 1 мА и максимальной выходной мощностью в непрерывном режиме при комнатной температуре более 3 мВт, пригодных для использования в монолитных матричных излучателях.

I.  Введение

Развитие микроволновых и оптоволоконных систем связи и телекоммуникации требует совершенствования элементной базы приемо-передающей аппаратуры, в том числе полупроводниковых лазерных диодов и СВЧ-транзисторов. В настоящей работе представлены основные результаты в области развития эпитаксиальных технологий для создания сложных полупроводниковых гетероструктур различного типа, полученные в лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. На конкретных примерах проиллюстрированы возможности их практического применения для создания современных оптоэлектронных и СВЧ-приборов с высокими техническими характеристиками.

II. Основная часть

В последние годы успешное развитие СВЧи оптоэлектроники в решающей степени связано с широким использованием полупроводниковых гетероструктур с квантово-размерными слоями. В качестве примера можно привести СВЧ-полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), создаваемые на основе модулированно-легированных гетероструктур в системах материалов AIGaAs/lnGaAs/GaAs или AllnAs/lnGaAs/lnP. К современным типам структур НЕМТ-транзисторов относятся псевдоморфные и метаморфные структуры AIGaAs/lnGaAs на подложках GaAs, а также структуры AllnAs/lnGaAs на подложках InP с решеточносогласованным или псевдоморфным каналом.

В лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН на протяжении последних 15 лет ведутся систематические исследования в направлении оптимизации технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) для создания транзисторных гетероструктур всех перечисленных выше типов. Результаты, достигнутые к настоящему времени, кратко суммированы в табл. 1. Все образцы гетероструктур были выращены на установке молекулярно-пучковой эпитаксии Riber 32Р. Холловские измерения проводились на тестовых образцах, отличающихся от реальных транзисторных структур отсутствием контактного слоя.

Таблица 1. Типичные характеристики канала для разработанных транзисторных гетер о структур Table 1. Typical channel characteristics of developed modulation-doped heterostructures

Channel characteristics (T=300K)

Heterostructure

n, cm2 / (v s)

ns, cm’2

AIGaAs/lnGaAs

pseudomorphic

> 6000

>2.3 E12

AIGaAs/lnGaAs pseudomorphic double-sided doped

> 4800

>3.3 E 12

AllnAs/lnGaAs lattice-matched double-sided doped

> 9000

>3.5 E12

AllnAs/lnGaAs pseudomorphic double-sided doped

> 9800

>4.2 E12

Совместно с Минским НИИ радиоматериалов была проведена работа по оптимизации псевдоморфных гетероструктур AlxGai_xAs/lnyGai_yAs для создания малошумящих транзисторов. Динамические измерения на частоте 12 ГГц продемонстрировали, что изготовленные транзисторы с длиной затвора 0,4 мкм имеют коэффициент шума 0,6н-0,8 дБ при коэффициенте усиления 11 дБ и более [1]. Независимое изготовление малошумящих полевых СВЧ-транзисторов из оптимизированных гетероструктур было проведено в ФГУП НПП «Исток» (г. Фрязино) и НПО «Планета» (г. В. Новгород). Получены близкие приборные характеристики, которые в целом соответствуют современному мировому уровню для приборов данного типа.

Сравнительно новым направлением в работе лаборатории является создание гетер о структур в системе материалов AIGaN/GaN для мощных полевых СВЧ-транзисторов. Данные исследования проводятся с использованием технологии газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений. Рис. 1. иллюстрирует параметры канала, достигнутые к настоящему времени, в сопоставлении с современным зарубежным уровнем.

Основным направлением исследований лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур традиционно является разработка новых типов активных материалов для полупроводниковых лазерных диодов. Среди недавних результатов следует отметить проведение широкого комплекса фундаментальных и прикладных исследований в области полупроводниковых гетероструктур с массивами самоорганизующихся квантовых точек (КТ). В результате была разработана технология МПЭ, позволяющая получать массивы КТ InAs/lnGaAs на подложках GaAs, излучающие в диапазоне длин волн 1300 нм. На основе такой активной области были созданы традиционные лазерные диоды с высокими характе-

ристиками (например, одномодовые лазеры с выходной мощностью более 120 мВт, пороговым током менее 25 мА и дифференциальной эффективностью

0.      5 Вт/А), а также впервые в мире реализованы вертикально-излучающие лазерные диоды (ВИЛ) данного спектрального диапазона на подложках GaAs [2]. Еще одно из новых направлений исследований лаборатории связано с разработкой матриц ВИЛ большой размерности для быстродействующих оптических коммутаторов. В результате проведения первого этапа работ созданы ВИЛ диапазона длин волн 960-980 нм с пороговыми токами менее 1 мА и максимальной выходной мощностью в непрерывном режиме при комнатной температуре более 3 мВт. Схема конструкции и основные характеристики разработанных ВИЛ представлены на рис. 2.

III.   Заключение

В настоящей работе представлен обзор основных результатов в области развития эпитаксиальных технологий для создания сложных полупроводниковых гетероструктур различного типа, полученные в лаборатории физики полупроводниковых гетероструктур ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. Продемонстрированы примеры их использования для создания оптоэлектронных и СВЧ-приборов с высокими характеристиками.

Рис. 2.(а) Схематическое изображение конструкции ВИЛ и (б) типичные вольтамперные и ватт-амперные харкетристики. Вставка показывает спектр излучения при токе 3 мА

Fig. 2: (a) bottom-emission double intracavitycontacted Ql/l/ VCSEL schematics: (b) i-Vand L-i curves of a 8ijm-aperture Ql/l/ VCSEL. Inset shows               multi-mode optical spectrum at 3 mA   

IV.  Список литературы

[1]    Малеев H. А. и др. Малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ) на псевдоморфных AIGaAs/lnGaAs/GaAs гетероструктурахю — В кн.: 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Кры-

М и Ко’2002). Материалы конференции [Севастополь, 913 сентября 2002 г.]. — Севастополь: Вебер, 2002, с. 155-156. ISBN 966-7968-12-Х,        IEEE

Cat. Number 02ЕХ570.

[2]    V. М. Ustinov et al. 1.3 micron edgeand surface-emitting quantum dot lasers grown on GaAs substrates, SPIE’s Photonics West 2002 (Optoelectronics 2002, San Jose, CA, USA, 20-25 January 2002), paper 4646-05, Technical Sum Summary Digest p.49mary Digest p.49.

SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES FOR LASERS AND MICROWAVE FETs

Alferov Zh .1., Maleyev N. A.,

Ledentsov N. N., Ustinov V. M.

Ioffe Physico-Technical Institute, RAS 26 Politechnicheskaya Str., St Petersburg,

Russia, 194021 phone: +7 (812) 2479132 e-mail: maleev@beam.ioffe.rssi.ru

Abstract Results of developing the design and manufacturing technologies of epitaxial heterostructures for microwave FETs and various semiconductor lasers are presented. A technology of producing heterostructures in AIGaAs/lnGaAs/GaAs, InAIAs/lnGaAs/lnP and AIGaN/GaN systems of materials for microwave FETs has been developed. On the basis of pseudomorphic AIGaAs/lnGaAs/GaAs heterostructures microwave FETs have been manufactured providing a 0.6-0.8dB noise factor with a gain above 11 dB at 12GHz. On GaAs substrates by means of a molecular-beam epitaxy heterostructures have been obtained with InAs/lnGaAs quantum dots, on the basis of which single-mode laser diodes and vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) in the 1300nm range have been created. A manufacturing technique has been developed for 960-980nm VCSELs with threshold currents below 1mA and maximum output power of 3mW in continuous operating mode at room temperature. These VCSELs are suitable for applications in monolithic matrix emitters.

I.  Introduction

The development of microwave and fiber-optic telecommunications systems requires advanced component base for transmitter-receiver equipment, including semiconductor laser diodes and microwave transistors. This paper presents principal results achieved at the Laboratory for Physics of Semiconductor Heterostructures, A. F. Ioffe Physico-Technical Institute, Russian Academy of Sciences, in the area of epitaxial technologies for the purpose of designing various complex semiconductor heterostructures. The possibility of their practical implementation in the design of state-of-the-art high-performance optoelectronic and microwave devices is illustrated by concrete examples.

II.  Main part

A recent progress in the development of microwave and optical electronics has been inextricably linked to a wide implementation of semiconductor heterostructures with quantumsized layers. As an example we may refer to microwave FETs with high electron mobility (HEMTs) produced on the basis of modulation-doped heterostructures in the AIGaAs/lnGaAs/GaAs and AllnAs/lnGaAs/lnP systems of materials. Modern HEMT types comprise pseudomorphic and metamorphic AlGaAs/lnGaAs structures on GaAs substrates, as well as AllnAs/lnGaAs structures on InP substrates with lattice-matched or pseudomorphic channels.

The Laboratory for Physics of Semiconductor Heterostructures, A. F. Ioffe Physico-Technical Institute, Russian Academy of Sciences, for the past 15 years has been conducting systematic researches aimed at optimizing the molecular-beam epitaxy (MBE) technology for the manufacture of all the above transistor heterostructures. The results achieved are briefly summarized in Table 1. All samples of heterostructures have been grown at the Riber 32P MBE facility. Hall measurements have been made on test samples which, unlike actual transistor structures, lack a contact layer.

In cooperation with the Minsk Research Institute for Radio Materials a work has been completed on optimizing AlxGa!. xAs/lnyGa^yAs pseudomorphic heterostructures for the design of low-noise transistors. Dynamic measurements at the 12GHz frequency have shown that the manufactured 0.4|jm gate transistors have a noise factor of 0.6^0.8dB at gains of 11 dB and above [1]. An independent manufacture of low-noise microwave FETs based on optimized heterostructures took place at the ‘Istok’ Federal State-Owned Unitary Research & Production Enterprise (Fryazino, Russia) and ‘Planeta’ Scientific & Production Combine (Velikiy Novgorod, Russia). Close indicated characteristics have been obtained which on the whole correspond to those of similar state-of-the-art devices.

A relatively new area of activities for the Laboratory is the development of heterostructures in the AIGaN/GaN systems of materials for high-power microwave FETs. This research employs a gas-core epitaxy technology using vapors of organometallic compounds. Fig. 1 shows the achieved channel parameters in comparison with modern devices manufactured abroad.

The principal avenue of researches at the Laboratory for Physics of Semiconductor Heterostructures has traditionally been the development of new types of active materials for semiconductor laser diodes. Among the most recent advances one should note a comprehensive set of basic and applied research in the field of semiconductor heterostructures with arrays of selforganizing quantum dots. As a result, an MBE technology has been developed allowing for quantum-dot InAs/lnGaAs arrays on GaAs substrates to be obtained emitting in the 1300nm range. On the basis of this active region, traditional laser diodes have been produced offering high performance (for example, single-mode lasers with an output power exceeding 120mW, threshold current below 25mA and differential efficiency of 0.5W/A); for the first time VCSELs have been manufactured on GaAs substrates for the given spectral range [2].

Another new field of research at the Laboratory deals with developing large VCSEL matrices for fast optical switches. At the initial stage, 960-980nm VCSELs were designed with threshold currents below 1 mA and maximum output power of 3mW in continuous operating mode at room temperature. The VCSEL layout and principal characteristics are shown in Fig. 2.

III.  Conclusion

The present paper reviews the principal activities at the Laboratory for Physics of Semiconductor Heterostructures, A. F. Ioffe Physico-Technical Institute, Russian Academy of Sciences, in the area of developing epitaxial technologies for manufacturing various types of complex semiconductor heterostructures. Examples are given of their implementation in the design of highperformance optoelectronic and microwave devices.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты