mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2018-6-2-46-55mireabulletin-106Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSРАСЧЕТ УПРУГОНАПРЯЖЕННОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ AlXGaYIn1-X-YAs/InP С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙCALCULATION OF ELASTICALLY STRESSED QUANTUM WELLS HETEROSTRUCTURE AlXGaYIn1-X-YAs/InP FOR EFFICIENT DIODE LASERSСветогоровВ. Н.SvetogorovV. N.svetogorvlad@mail.ruАкчуринР. Х.AkchurinR. Kh.noemail@neicon.ruМармалюкА. А.MarmalyukA. A.noemail@neicon.ruЛадугинМ. А.LaduginM. A.noemail@neicon.ruЯроцкаяИ. В.YarotskayaI. V.noemail@neicon.ruМосковский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В Ломоносова)РоссияMoscow Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian FederationООО «Сигм плюс»РоссияJSC “Sigm Plyus”Russian Federation201828042018624655Copyright © Светогоров В.Н., Акчурин Р.Х., Мармалюк А.А., Ладугин М.А., Яроцкая И.В., 20182018Светогоров В.Н., Акчурин Р.Х., Мармалюк А.А., Ладугин М.А., Яроцкая И.В.Svetogorov V.N., Akchurin R.K., Marmalyuk A.A., Ladugin M.A., Yarotskaya I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/106

Выполнены расчеты составов эпитаксиальных слоев, формирующих низкоразмерные гетероструктуры AlxGayIn1-x-yAs/InP для лазерных диодов с длиной волны излучения 1.55 мкм. При проведении расчетов ставилась задача обеспечения максимальной высоты энергических барьеров для эффективного ограничения носителей заряда в квантовых ямах. Наряду с эффектом размерного квантования энергии свободных носителей заряда в разрешенных зонах, учитывалось влияние упругих напряжений в эпитаксиальных слоях на смещение краев энергетических зон. Показано, что для решения поставленных задач необходимо формирование гетероструктур с напряжениями упругого сжатия в квантовой яме и напряжениями упругого растяжения в барьерных слоях. Предложена структура, включающая барьерный слой Al0.28Ga0.30In0.42As толщиной 110 Å и квантовую яму Al0.03Ga0.23In0.74As в слое толщиной 55 Å со степенями рассогласования параметров кристаллической решетки с подложкой InP -0.8% и +1.4%, соответственно. По результатам расчетной оценки, указанные толщины эпитаксиальных слоев не превышают критических значений, способных привести к образованию дислокаций несоответствия на гетерограницах.

The compositions of epitaxial layers forming quantum-well heterostructures AlxGayIn1-x-yAs / InP for laser diodes with the radiation wavelength of 1.55 μm are calculated. When carrying out the calculations, the problem was to provide the maximum height of the energy barriers for effective limitation of charge carriers in the quantum wells. Along with taking care of the effects of the dimensional quantization of the energy of free charge carriers in allowed zones, the effect of elastic stress in epitaxial layers on the displacement of the edges of the energy bands were taken into account in the calculation. It is shown that in order to solve the posed problems it is necessary to form heterostructures with elastic compression stress in a quantum well and elastic tensile stress in the barrier layers. As a result of the calculations the authors suggest a structure that includes a barrier layer of Al0.28Ga0.30In0.42As with a thickness of 110 Å and a quantum well Al0.03Ga0.23In0.74As in a layer with a thickness of 55Å (with the mismatch between the parameters of the crystal lattice and the InP substrate - 0.8% and + 1.4 %, respectively). According to the calculation results, the indicated thicknesses of epitaxial layers do not exceed the critical values that can lead to the formation of imperfect dislocations at heterointerfaces.

лазерные диодыквантовая ямамеханические напряженияуровни размерного квантованияAlxGayIn1-x-yAs/InPlaser diodesquantum wellAlxGayIn1-x-yAs/InPmechanical stressdimensional quantization levelsReferencesQing K., Shaoyang T., Dan L., Ruikang Z., Wei W., Chen J. High power 1550 nm InGaAsP/ InP lasers with optimized carrier injection efficiency // Proceed. of the 14th Int. Conf. on Optical Communications and Networks (ICOCN). Nanjing, China. July 3, 2015. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (IEEE), 2015. P. 1-3.Qing K., Shaoyang T., Dan L., Ruikang Z., Wei W., Chen J. High power 1550 nm InGaAsP/ InP lasers with optimized carrier injection efficiency // Proceed. of the 14th Int. Conf. on Optical Communications and Networks (ICOCN). Nanjing, China. July 3, 2015. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (IEEE), 2015. P. 1-3.Kuo Y.K., Yen S.H., Yao M.W., Chen M.L., Liou B.T. Numerical study on gain and optical properties of AlGaInAs, InGaNAs, and InGaAsP material systems for 1.3-μm semiconductor lasers // Optic Commun. 2007. V. 275. P. 156-164.Kuo Y.K., Yen S.H., Yao M.W., Chen M.L., Liou B.T. Numerical study on gain and optical properties of AlGaInAs, InGaNAs, and InGaAsP material systems for 1.3-μm semiconductor lasers // Optic Commun. 2007. V. 275. P. 156-164.Gladyshev A.G., Novikov I.I., Karachinsky L.Y., Denisov D.V., Egorov A.Y., Kurochkin A.S., Blokhin S.A., Blokhin A.A., Nadtochiy A.M. Optical properties of InGaAs/InGaAlAs quantum wells for the 1520-1580 nm spectral range // Semiconductors. 2016. V. 50. № 9. P. 1186-1190.Gladyshev A.G., Novikov I.I., Karachinsky L.Y., Denisov D.V., Egorov A.Y., Kurochkin A.S., Blokhin S.A., Blokhin A.A., Nadtochiy A.M. Optical properties of InGaAs/InGaAlAs quantum wells for the 1520-1580 nm spectral range // Semiconductors. 2016. V. 50. № 9. P. 1186-1190.Veselov D.A., Shashkin I.S., Bakhalow K.V., Lyutetskiy A.V., Pikhtin N.A., Rastegaeva M.G., Slipchenko S.O., Bechvay E.A., Strelets V.A., Shamakhov V.V., Tarasov I.S. On the problem of internal optical loss and current leakage in laser heterostructures based on AlGaInAs/InP solid solution // Semiconductors. 2016. V. 50. № 9. Р. 1225-1230.Veselov D.A., Shashkin I.S., Bakhalow K.V., Lyutetskiy A.V., Pikhtin N.A., Rastegaeva M.G., Slipchenko S.O., Bechvay E.A., Strelets V.A., Shamakhov V.V., Tarasov I.S. On the problem of internal optical loss and current leakage in laser heterostructures based on AlGaInAs/InP solid solution // Semiconductors. 2016. V. 50. № 9. Р. 1225-1230.Liou B.T., Yen S.H., Yao M.W., Chen M.L., Kuo Y., Chang S.H. Numerical study for 1.55-μm AlGaInAs/InP semiconductor lasers // Proceed. of SPIE. 2006. V. 6368. 636814. doi: 10.1117/12.685959Liou B.T., Yen S.H., Yao M.W., Chen M.L., Kuo Y., Chang S.H. Numerical study for 1.55-μm AlGaInAs/InP semiconductor lasers // Proceed. of SPIE. 2006. V. 6368. 636814. doi: 10.1117/12.685959Hou L., Avrutin E.A., Haji M., Dylewicz R., Bryce A.C., Mars J.H. 160 GHz passively mode-locked algainas 1.55 μm strained quantum-well lasers with deeply etched intracavity mirrors // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2013. V. 19. № 4.Hou L., Avrutin E.A., Haji M., Dylewicz R., Bryce A.C., Mars J.H. 160 GHz passively mode-locked algainas 1.55 μm strained quantum-well lasers with deeply etched intracavity mirrors // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2013. V. 19. № 4.Takemasa K., Munakata T., Kobayashi M., Wada H., Kamijoh T. 1.3-μm AlGaInAs-AlGaInAs strained multiple-quantum-well lasers with a p-AlInAs electron stopper layer // IEEE Photonics Teсhnology Lett. 1998. V. 10. № 4. Р. 495-497.Takemasa K., Munakata T., Kobayashi M., Wada H., Kamijoh T. 1.3-μm AlGaInAs-AlGaInAs strained multiple-quantum-well lasers with a p-AlInAs electron stopper layer // IEEE Photonics Teсhnology Lett. 1998. V. 10. № 4. Р. 495-497.Springer Handbook of Electronic and Photonic materials / Eds. S. Kasap, P. Capper. Springer Science+Business Media, Inc., 2006. 1438 p.Springer Handbook of Electronic and Photonic materials / Eds. S. Kasap, P. Capper. Springer Science+Business Media, Inc., 2006. 1438 p.Jia H., Yin J., Zhu T., Rao L. Study of strain-compensated for 1310 nm AlGaInAs/InP multi-quantum-well laser // Proceed. of the 15th Int. Conf. on Optical Communications and Networks (ICOCN 2016). Hangzhou, China. September 24-27, 2016. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (IEEE), 2016. P. 760-763.Jia H., Yin J., Zhu T., Rao L. Study of strain-compensated for 1310 nm AlGaInAs/InP multi-quantum-well laser // Proceed. of the 15th Int. Conf. on Optical Communications and Networks (ICOCN 2016). Hangzhou, China. September 24-27, 2016. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. (IEEE), 2016. P. 760-763.Vurgaftman I., Meyer J.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. № 11. P. 5916-5875.Vurgaftman I., Meyer J.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. № 11. P. 5916-5875.Яковлева Н.И., Болтарь К.О., Седнев М.В. Исследование фотодиодных лавинных элементов матричных фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 4. С. 374-382.Яковлева Н.И., Болтарь К.О., Седнев М.В. Исследование фотодиодных лавинных элементов матричных фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 4. С. 374-382.Soma T., Satoh J., Matsuo H. Thermal expansion coefficient of GaAs and InP // Solid State Commun. 1982. V. 42. № 12. Р. 889-892.Soma T., Satoh J., Matsuo H. Thermal expansion coefficient of GaAs and InP // Solid State Commun. 1982. V. 42. № 12. Р. 889-892.Adhikari J., Kumar A. Study of structural and thermodynamic properties of GaAs and InAs using Monte Carlo simulations // Molecular Simulation. 2007. V. 33(8). Р. 623-628.Adhikari J., Kumar A. Study of structural and thermodynamic properties of GaAs and InAs using Monte Carlo simulations // Molecular Simulation. 2007. V. 33(8). Р. 623-628.Adachi S. GaAs, AlAs and AlxGa1-xAs: Material parameters for use in research and device applications // J. Appl. Phys. 1985. V. 58(3). P. 1-29.Adachi S. GaAs, AlAs and AlxGa1-xAs: Material parameters for use in research and device applications // J. Appl. Phys. 1985. V. 58(3). P. 1-29.Liu Q., He Q. Elastic constants for various classes of solids at high temperature // Acta Physica Polonica. Series A. 2007. V. 112. № 1. P. 69-76. doi: 10.12693/APhysPolA.112.69Liu Q., He Q. Elastic constants for various classes of solids at high temperature // Acta Physica Polonica. Series A. 2007. V. 112. № 1. P. 69-76. doi: 10.12693/APhysPolA.112.69Ledbetter H.M., Reed R.P. Elastic properties of metals and alloys. Naval Research Laboratory, Colorado, 1973.Ledbetter H.M., Reed R.P. Elastic properties of metals and alloys. Naval Research Laboratory, Colorado, 1973.Zhang Y., Ning Y., Zhang L., Zhang J., Zhang J., Wang Z., Zhang J., Zeng Y., Wang L. Design and comparison of GaAs, GaAsP and InGaAlAs quantum-well active regions for 808-nm VCSELs. // Optics Express. 2011. V. 19. № 13. Р. 12569-12581.Zhang Y., Ning Y., Zhang L., Zhang J., Zhang J., Wang Z., Zhang J., Zeng Y., Wang L. Design and comparison of GaAs, GaAsP and InGaAlAs quantum-well active regions for 808-nm VCSELs. // Optics Express. 2011. V. 19. № 13. Р. 12569-12581.Максимов М.В., Крестников И.Л., Иванов С.В., Леденцов Н.Н., Сорокин С.В. Расчет уровней размерного квантования в напряженных ZnCdSe/ZnSe квантовых ямах // Физика и техника полупроводников. 1997. Т. 31. № 8. Р. 939-943.Максимов М.В., Крестников И.Л., Иванов С.В., Леденцов Н.Н., Сорокин С.В. Расчет уровней размерного квантования в напряженных ZnCdSe/ZnSe квантовых ямах // Физика и техника полупроводников. 1997. Т. 31. № 8. Р. 939-943.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.