Ж. І. Алфьоров, Н. А. Малєєв, Н. Н. льодяників, В. М. Устинов Фізико-технічний інститут ім. Іоффе РАН 194021, м. С-Петербург, Політехнічская, 26 * тел. (+7-812) 247-91-32, e-mail: maleev@beam.ioffe.rssi.ru


Анотація Представлені результати з розробки конструкцій і технології виготовлення епітаксійних гетероструктур для польових СВЧ-транзисторів та напівпровідникових лазерів різного типу. Розроблено технологія отримання гетероструктур в системах матеріалів AIGaAs / lnGaAs / GaAs, InAIAs / lnGaAs / lnP і AIGaN / GaN для польових СВЧ-транзисторів. На основі псевдоморфного гетероструктур AIGaAs / lnGaAs / GaAs виготовлені польові СВЧтранзістори з коефіцієнтом шуму 0,6-0,8 дБ при коефіцієнті підсилення понад 11 дБ на частоті 12 ГГц. Методом молекулярно-пучкової епітаксії на підкладках арсеніду галію отримані гетероструктури з квантовими точками InAs / lnGaAs, на основі яких створено одномодові лазерні діоди і вертикально-випромінюючі лазери (ВІЛ) діапазону довжин хвиль 1300 нм. Розроблено технологію виготовлення ВІЛ діапазону довжин хвиль 960-980 нм з пороговими струмами менше 1 мА і максимальною вихідною потужністю в безперервному режимі при кімнатній температурі більше 3 мВт, придатних для використання в монолітних матричних випромінювачах.

I. Вступ

Розвиток мікрохвильових та оптоволоконних систем зв’язку та телекомунікації вимагає вдосконалення елементної бази приймально-передавальної апаратури, в тому числі напівпровідникових лазерних діодів і СВЧ-транзисторів. В даній роботі представлені основні результати в галузі розвитку епітаксійних технологій для створення складних напівпровідникових гетероструктур різного типу, отримані в лабораторії фізики напівпровідникових гетероструктур ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН. На конкретних прикладах проілюстровані можливості їх практичного застосування для створення сучасних оптоелектронних і НВЧ-приладів з високими технічними характеристиками.

II. Основна частина

В останні роки успішний розвиток СВЧі оптоелектроніки у вирішальній мірі пов’язане з широким використанням напівпровідникових гетероструктур з квантово-розмірними шарами. Як приклад можна привести СВЧ-польові транзистори з високою рухливістю електронів (НЕМТ), що створюються на основі модульованої-легованих гетероструктур в системах матеріалів AIGaAs / lnGaAs / GaAs або AllnAs / lnGaAs / lnP. До сучасних типам структур НЕМТ-транзисторів відносяться псевдоморфного і метаморфний структури AIGaAs / lnGaAs на підкладках GaAs, а також структури AllnAs / lnGaAs на підкладках InP з решеточносогласованним або псевдоморфного каналом.

У лабораторії фізики напівпровідникових гетероструктур ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН протягом останніх 15 років ведуться систематичні дослідження в напрямку оптимізації технології молекулярно-пучкової епітаксії (МПЕ) для створення транзисторних гетероструктур всіх перерахованих вище типів. Результати, досягнуті до теперішнього часу, коротко підсумовані в табл. 1. Всі зразки гетероструктур були вирощені на установці молекулярно-пучкової епітаксії Riber 32Р. Холловського вимірювання проводилися на тестових зразках, що відрізняються від реальних транзисторних структур відсутністю контактного шару.

Таблиця 1. Типові характеристики каналу для розроблених транзисторних гетер про 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

Спільно з Мінським НДІ радіоматеріалів була проведена робота по оптимізації псевдоморфного гетероструктур AlxGai_xAs/lnyGai_yAs для створення малошумящих транзисторів. Динамічні вимірювання на частоті 12 ГГц продемонстрували, що виготовлені транзистори з довжиною затвора 0,4 мкм мають коефіцієнт шуму 0,6 н-0, 8 дБ при коефіцієнті посилення 11 дБ і більше [1]. Незалежне виготовлення малошумящих польових СВЧ-транзисторів з оптимізованих гетероструктур було проведено в ФГУП НПП «Исток» (м. Фрязіно) і НПО «Планета» (м. В. Новгород). Отримано близькі приладові характеристики, які в цілому відповідають сучасному світовому рівню для приладів даного типу.

Порівняно новим напрямом в роботі лабораторії є створення гетер про структур в системі матеріалів AIGaN / GaN для потужних польових СВЧ-транзисторів. Дані дослідження проводяться з використанням технології газофазної епітаксії з парів металоорганічних сполук. Рис. 1. ілюструє параметри каналу, досягнуті до теперішнього часу, в зіставленні з сучасним зарубіжним рівнем.

Основним напрямком досліджень лабораторії фізики напівпровідникових гетероструктур традиційно є розробка нових типів активних матеріалів для напівпровідникових лазерних діодів. Серед недавніх результатів слід відзначити проведення широкого комплексу фундаментальних і прикладних досліджень в області напівпровідникових гетероструктур з масивами самоорганизующихся квантових точок (КТ). В результаті була розроблена технологія МПЕ, що дозволяє отримувати масиви КТ InAs / lnGaAs на підкладках GaAs, що випромінюють в діапазоні довжин хвиль 1300 нм. На основі такої активної області були створені традиційні лазерні діоди з високими характе-

тиками (наприклад, одномодові лазери з вихідною потужністю понад 120 мВт, пороговим струмом менше 25 мА і диференціальної ефективністю

0. 5 Вт / А), а також вперше в світі реалізовані вертикально-випромінюючі лазерні діоди (ВІЛ) даного спектрального діапазону на підкладках GaAs [2]. Ще одне з нових напрямків досліджень лабораторії пов’язане з розробкою матриць ВІЛ великої розмірності для швидкодіючих оптичних комутаторів. У результаті проведення першого етапу робіт створені ВІЛ діапазону довжин хвиль 960-980 нм з пороговими струмами менше 1 мА і максимальною вихідною потужністю в безперервному режимі при кімнатній температурі більше 3 мВт. Схема конструкції та основні характеристики розроблених ВІЛ представлені на рис. 2.

III. Висновок

В даній роботі представлений огляд основних результатів у сфері розвитку епітаксійних технологій для створення складних напівпровідникових гетероструктур різного типу, отримані в лабораторії фізики напівпровідникових гетероструктур ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН. Продемонстровані приклади їх використання для створення оптоелектронних і НВЧ-приладів з високими характеристиками.

Рис. 2. (А) Схематичне зображення конструкції ВІЛ і (б) типові вольтамперні і ват-амперні харкетрістікі. Вставка показує спектр випромінювання при струмі 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 літератури

[1] Малєєв H. А. і ін Малошумні транзистори з високою рухливістю електронів (рНЕМТ) на псевдоморфного AIGaAs / lnGaAs / GaAs гетероструктурахю – В кн.: 12-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології» (Кри-

М і Ко’2002). Матеріали конференції [Севастополь, 913 вересні 2002]. – 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.