РАСЧЕТ УПРУГОНАПРЯЖЕННОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ AlXGaYIn1-X-YAs/InP С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

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.

лазерные диоды, квантовая яма, механические напряжения, уровни размерного квантования

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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. https://doi.org/10.1117/12.685959

6. 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.

7. 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.

8. Springer Handbook of Electronic and Photonic materials / Eds. S. Kasap, P. Capper. Springer Science+Business Media, Inc., 2006. 1438 p.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Soma T., Satoh J., Matsuo H. Thermal expansion coefficient of GaAs and InP // Solid State Commun. 1982. V. 42. № 12. Р. 889-892.

13. 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.

14. 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.

15. 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. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.112.69

16. Ledbetter H.M., Reed R.P. Elastic properties of metals and alloys. Naval Research Laboratory, Colorado, 1973.

17. 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.

18. 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.