КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-12-00193

НазваниеИсследование свойств эпитаксиальных наноразмерных фаз SiC, образующихся на Si методом согласованного замещения атомов, и изучение влияния этих свойств на механизмы роста и морфологию полупроводниковых пленок групп A3B5 и A2B6.

РуководительКукушкин Сергей Арсеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2020 г. - 2022 г.

Конкурс№45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники

Ключевые словананоразмерные материалы, фазовые превращения, карбид кремния, квантовая химия, полиморфные фазы, широкозонные проводники, нановискеры, интерференционный транзистор, квантовый эффект Фарадея

Код ГРНТИ29.00.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель данного проекта - исследование и решение двух связанных между собой фундаментальных проблем. Первой является проблема теоретического и экспериментального изучения новых физических свойств эпитаксиальных наноразмерных фаз SiC на Si и бездислокационной межфазной границы раздела, образующихся в процессе химического превращения монокристаллического Si в монокристаллический SiC при согласованном замещении половины атомов кремния на углерод. Термин "согласованный" означает, что новые связи Si-C образуются одновременно с разрушением старых Si-Si связей, что обеспечивает преемственность структуры кристаллической решетки. Второй проблемой является изучение механизма воздействия этих свойств на последующий рост и, соотвественно, структуру, свойства и морфологию полупроводниковых пленок группы III-V нитридов (AlN, GaN, AlGaN), выращиваемых методами MBE, MOCVD и HVPE, и полупроводников группы соединений A2B6 (CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO), выращиваемых методом ALD на поверхности слоев SiC на Si. Авторами настоящего проекта в 2005-2008 годах был теоретически предсказан и затем экспериментально открыт новый метод роста SiC на Si. Синтез осуществляется с помощью химической обработки кремния монооксидом углерода (CO). Удивительной особенностью данного метода роста SiC является то, что упругие напряжения, вызванные рассогласованием решеток и разностью коэффициентов термического расширения SiC и Si, при синтезе не возникают. Соответственно, нет и дислокаций несоответствия решеток, которые присущи другим методам, например, CVD. Это обусловлено тем, что на границе раздела SiC/Si при данном методе роста возникает интерфейсный слой толщиной несколько нанометров с нестандартными оптическими и электрофизическими свойствами. Этот слой приводит к появлению сильных электрических полей, зависящих от проводимости подложки Si, которые во многом определяют дальнейший рост полупроводниковых пленок на этих гибридных подложках. Собственно, проект и посвящен изучению механизма образования данного бездислокационного интерфейсного слоя и его свойств (особенно, баллистической проводимости и квантового эффекта Фарадея) и влиянию его через электрические поля на свойства растущих на SiC/Si слоев A3B5 и A2B6. Ранее было показано, что реакция синтеза карбида кремния протекает в две стадии. На первой стадии образуются комплексы кремниевая вакансия − междоузельный атом углерода. На втором этапе углеродные атомы смещаются по направлению к кремниевым вакансиям, образуя карбид кремния. Активированные комплексы превращаются в карбид кремния, а освободившиеся вакансии сливаются в поры под слоем карбида кремния. В результате образуется пленка карбида кремния, частично, висящая над порами в кремнии. В подобной пленке практически отсутствуют упругие напряжения (подробнее см. обзоры: 1. С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, Н.А. Феоктистов. Синтез эпитаксиальных пленок карбида кремния методом замещения атомов в кристаллической решетке кремния (Обзор) // ФТТ, т. 56, вып. 8, с. 1457-1485, (2014); 2. S.A. Kukushkin and A.V.Osipov. Topical Review. Theory and practice of SiC growth on Si and its applications to wide-gap semiconductor films// J. of Phys. D: Appl. Phys. 47, 313001-313041, (2014).). Ориентацию пленки при этом задает “старая” кристаллическая структура исходной матрицы Si, а не только поверхность подложки, как это обычно реализуется в традиционных методиках выращивания пленок. По сути, впервые был реализован метод последовательной замены атомов одного сорта атомами другого сорта прямо внутри исходного кристалла без разрушения его кристаллической структуры. Научные основы этого метода роста SiC были разработаны нами в рамках работы над проектом РНФ № 14-12-01102, завершившемся в 2018 г (см. приложенный файл рис.1.). В результате работы над проектом и дальнейшим исследованиям, нами были обнаружено, что слои SiC, выращенные методом замещения атомов обладают рядом необычных свойств, которые отсутствуют как в монокристаллах SiC, так и пленках SiC, выращенных на Si с использованием стандартных CVD методик роста (1.Р.А. Андриевский. Наноразмерный карбид кремния: синтез, структура, свойства// Успехи химии, 78(9), с. 889, (2009); 2. S. Nishino ,H. Matsunami and T. Tanaka. Optical Properties of 3C-SiC Crystals Prepared of Chemical Vapor Deposition Jpn. Appl.Phys 14 (11), 1833 (2002);3. A. Fissel. Artificially layered heteropolytypic structures based on SiC polytypes: molecular beam epitaxy, characterization and properties. // Physics Reports 379,149–255, (2003). 4. Gabriel Ferro. 3C-SiC Heteroepitaxial Growth on Silicon: The Quest for Holy Grail.//Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 40:56–76, (2015).). Необычные свойства вызваны тем, что на второй и завершающей стадии превращения кремния в карбид кремния происходит процесс усадки или "схлопывания" материала, при котором карбид кремния, как новая фаза, отделяется от кремниевой матрицы. Кремний подвергается аномально сильному сжатию со стороны карбида кремния (см. приложенный файл рис.2-рис.4.). По предварительным оценкам, сделанными методами квантовой химии, величина такого давления может доходить до 100 GPa. При таких высоких давлениях не могло бы получиться SiC со столь хорошей структурой, если бы каждая пятая кристаллическая ячейка карбида кремния с высокой точностью не совпадала бы с каждой четвертой ячейкой кремния (см. приложенный файл рис. 5). В результате подобной усадки каждая пятая химическая связь SiC полностью согласуется с каждой четвертой связью Si, остальные связи либо рвутся (отсюда и возникают вакансии и поры), либо подвергаются сжатию. Последнее, очевидно, приводит к изменению структуры поверхностных зон SiC, прилегающего к Si и его "металлизации" или превращению в "полуметалл", что мы и собираемся выяснить в ходе исследований. При легировании карбида кремния атомами бора, последние попадают именно в вакансии и сильно изменяют свойства дипольных структур "вакансия - углеродный кластер" (см.приложенный файл рис.6). Наши предварительные исследования показали, что электрические характеристики фазы карбида кремния определяются поведением проводимости краевых каналов, ограниченных такими дипольными структурами. В результате, на межфазной границе Si-SiC наблюдаются процессы квантовой интерференции при температурах вплоть до комнатной вследствие исключительно малой эффективной массы носителей заряда. На это указывают всплески сопротивления на величину h/2e (где h - постоянная Планка, а e- заряд электрона), обнаруженные и измеренные нами на контактах исток-сток в зависимости от величины стабилизированного тока (см. приложенный файл рис.7 и рис.8). Эти данные свидетельствуют о формировании дополнительных контуров внутри краевых каналов, в которых проявляется квантовая интерференция при Т=300К. В обычном кубическом карбиде кремния подобные эффекты наблюдаются лишь при гелиевых температурах. Более того, при комнатной температуре мы наблюдаем (что многократно проверялось) гистерезис магнитной восприимчивости в слабых магнитных полях и Андреевское отражение в краевых каналах ( см. приложенный файл рис.9). В рамках проекта мы предполагаем исследовать обнаруженные в первых опытах эффекты и измерить их заново при различной температуре от гелиевой до комнатной. Эти данные открывают совершенное новое направление в использовании SiC на Si. В частности, появляется возможность создать транзистор на эффекте квантовой интерференции при комнатной температуре, что открывает беспрецедентные перспективы развития в данном направлении. Отметим, что данные эффекты косвенно подтверждаются как измеренными эллипсометрическими спектрами, так и моделированием методами квантовой химии (обнаружен резкий и узкий пик плотности электронных состояний вблизи энергии Ферми). Подтверждают этот факт и предварительно проведенные исследования полного внешнего отражения и дифракции рентгеновских лучей от поверхности SiC при углах падения менее 1 угловой минуты. Мы обнаружили как возбуждение плазмонов, так и их гистерезис в зависимости от направления падения луча. Подобный эффект отсутствует как монокристаллах SiC, политипов 6H-SiC, 4H-SiC, так и в пленках SiC, выращенных на Si стандартным методом, например фирмой "Advanced Epi". Другой особенностью данных структур является их особое воздействие на начальные механизмы зарождения пленок AlN, GaN, AlGaN, ZnO и ряда других веществ, а также их свойства. Как мы полагаем, эта особенность также образуется вследствии особого строения межфазной границы раздела Si-SiC. На поверхности Si в условиях гигантских давлений переход кристалла с группой симметрией Fd-3m в кристалл с группой симметрии F43m обязан протекать через кристалл с группой симметрии R3M, что приводит к появлению фазы с двумерными слоями SiC, наподобие графена, что в некоторых случаях приводит к образованию не 3C-SiC политипа, а тетрагонального политипа, что недавно было доказано авторами проекта в работе Ю.Э. Китаев, С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, А.В. Редьков. ФТТ (2018) Т.60, №10, с. 2030-2036. Но, пожалуй, главное отличие конверсионного SiC от обычного SiC, полученного любым другим способом, заключается в том, что наш SiC, находясь под воздействием гигантских сжимающих напряжений, теряет за счет эффекта восходящей диффузии некоторое количество кремния (0.5-5%), тогда как обычный карбид кремния содержит лишь углеродные вакансии. Атомы углерода, перемещаясь в кремниевые вакансии в конверсионном SiC, образуют различные углеродные кластеры, взаимодействующие с вакансиями и формирующие с ними своеобразные дипольные структуры (см. приложенный файл рис.6, рис.10, рис.11) . Их наличие также экспериментально доказано в 2018 году. Эти структуры кардинально меняют свойства SiC, в частности, плотность состояний (см. приложенный файл рис.12) и аномально увеличиваю пьезоэффект. Подобные структуры приводят к тому, что выращенные на поверхности SiC слои AlN сами начинают обладать необычайно высоким значениями пьезо и пироэффектов (См., например, 1. O.N. Sergeeva, A.V. Solnyshkin, S.A. Kukushkin, A.V. Osipov, Sh. Sharofidinov, E.Yu. Kaptelov, S.V. Senkevich, I.P. Pronin. New semipolar aluminium nitride thin films: growth mechanisms, structure, dielectric and pyroelectric properties. Ferroelectrics, V. 544, 33–37 (2019); 2.Сергеева О.Н., Солнышкин А.В., Киселев Д.А., Ильина Т.С., Кукушкин С.А., Шарофидинов Ш.Ш., Каптелов Е.Ю., Пронин И.П. Влияние ориентации кремниевой подложки с буферным подслоем карбида кремния на рост и полярные свойства пленок нитрида алюминия // ФТТ, 2019, том 61, вып. 12, с. 2379-2384.). Именно образование углерод-вакансионных структур приводит к образованию своеобразных структур поверхности карбида, выращенных на поверхностях подложек (100) Si n и p- проводимости и, как следствие к существенному различию в росте слоев GaN (cм. S.A. Kukushkin, A.V. Osipov and I.P. Soshnikov. Growth of epitaxial SiC layer on Si (100) surface of n- and p-type of conductivity by the atoms substitution method // Reviews on Advanced Materials Science, (2017), 52, 29-42.). Все это и обеспечивает научную новизну данного проекта.

Ожидаемые результаты
1. На примере химического превращения Si в SiC будет разработана, научно обоснована и технологически освоена методика целенаправленного управления гигантскими напряжениями, возникающими в процессе твердофазного химического превращения одних кристаллов в другие и будет развит общий фундаментальный подход для выращивания широкого класса эпитаксиальных пленок различной природы. В качестве основного примера будет использоваться процесс химического превращения кристалла Si в кристалл SiC, для которого будет разработан общий теоретический подход с широким привлечением моделирования методами квантовой химии. 2. Впервые в мире на подложках кремния будут получены слои карбида кремния на межфазной границе раздела с различной долей содержания Si в особом состоянии, во многом похожем на "полуметалл". Будет разработана экспериментальная методика получения подобных слоев при помощи управления температурой, давлением, временем синтеза и степенью предварительной обработки поверхности исходной подложки Si. 3. Будут выполнены пионерские экспериментальные исследования по изучению свойств межфазных границ раздела при различных условиях синтеза SiC, выращенных на гранях (111), (110) и (100) и с помощью лицензионного софта Medea-Vasp методами квантовой химии будут впервые выполнены расчеты электрических и оптических свойств этих границ раздела фаз, в частности будут определены их пъезоэлектрические свойства. Отметим, что по предварительным данным, плотность электронных состояний имеет очень резкий и узкий пик непосредственно в окрестности энергии Ферми, что гарантирует практическое использование этой фазы в различных электрических и оптоэлектронных преобразователях. 4. Будут выполнены пионерские экспериментальные исследования по изучению свойств межфазных границ раздела при различных условиях синтеза SiC, выращенных на вицинальных гранях, отклоненных от сингулярных граней (111), (100) на 4 и 8 градусов. С помощью лицензионного софта Medea-Vasp методами квантовой химии будут впервые выполнены расчеты основных свойств этих границ раздела фаз, а именно будет определена плотность электронных состояний в зависимости от энергии, а также будут рассчитаны их пъезоэлектрические свойства. Отметим, что проведенные ранее нами экспериментальные исследования показали, что механизмы роста как сплошных пленок группы III-V нитридов (AlN, GaN, AlGaN), так и нитевидных кристаллов GaN и GaAs, а также соединений группы A2B6 (CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO), существенно зависят от условий cинтеза SiC. Сейчас мы связываем это различие в механизмах роста этих пленок с природой межфазной границы Si-SiC и ее пъезосвойствами. Выяснение этой зависимомости имеет огромное значение как для будущих практических приложений SiC поскольку, например, максимум спектра фотолюминесценции нитевидных кристаллов GaN может различаться в 2-3 раза в зависимости от того, выращен ли нитевидный нанокристалл на сингулярной или вицинальной грани. 5. Будет построена модель восходящей диффузии в SiC при гигантских напряжениях, объясняющая возникновение фаз с дипольными структурами, образованными углеродными кластерами и вакансиями, будут рассчитаны основные свойства таких фаз, включая пъезоэлектрические свойства. В частности, будет доказано, что кубический SiC с такими дипольными структурами обладает гигантским пьезоэффектом, в то время как обычный SiC-3C, который не подвергался конверсионному воздействию, вообще не обладает пьезоэффектом. 6. Будет разработана методика легирования бором конверсионных фаз SiC с дипольными структурами, при которой атомы бора будут попадать в основном в вакансии, коренным образом изменяя электрические свойства конверсионных фаз SiC. Будут построены соответствующие квантово-химические модели. С помощью этой методики будут получены сверхмелкие p-n переходы и полевые транзисторные структуры с вертикальным и горизонтальным затворами в рамках холловской геометрии. 7. Будут изучены эффекты квантового транспорта носителей в краевых каналах полученных полевых транзисторных структур. Будет исследована взаимосвязанность электрических характеристик полученных транзисторных структур и поведения проводимости краевых каналов, ограниченных дипольными структурами в SiC. Наличие подобной оболочки краевых каналов приводит к значительному снижению эффективной массы носителей заряда, что способствует наблюдению процессов квантовой интерференции при высокой температуре вплоть до комнатной (этого эффекта нет в обычном SiC, который не побывал при гигантских напряжениях!). Для реализации полевых транзисторных структур, демонстрирующих свойства интерференционного транзистора при высоких температурах будут измерены продольные и поперечные ВАХ проводимости при различной топологии горизонтальных и вертикальных затворов. Уникальная возможность работы транзистора на эффекте квантовой интерференции при комнатной температуре обеспечивает практической использование результатов проекта. 8. Экспериментально будут исследованы пьезо и пироэффекты, возникающие в слоях AlN и AlGaN в зависимости от условий синтеза SiC и ориентации исходной подложки Si. 9. Будут проведены исследования процессов роста AlN, AlGaN, GaN методом HVPE на подложках SiC с разной с различной долей содержания Si на межфазной границе в особом состоянии, во многом похожем на "полуметалл" и будет выявлено влияние этого состояния Si на морфологию и структуру пленок. Эти исследования имеют важнейшее значение как для развития знаний о кинетике роста тонких пленок, так и большое для осмысленного выращивания этих структур для различного рода приборов микро- оптоэлектроники. 10. Будут проведены исследования процессов роста соединений группы A2B6 методом ALD, в частности, CdS на подложках SiC с разной с различной долей содержания Si на межфазной границе в состоянии "полуметалла" и будет выявлено влияние этого состояния на морфологию и структуру пленок.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1.Разработана методика достижения экстремально высоких давлений за счет химической конверсии кристалла кремния в карбид кремния. 2.Впервые обнаружено, что при выращивании тонких пленок монокристаллического карбида кремния кубического политипа, синтезированного из материала подложки кремния методом согласованного замещения атомов за счет химической реакции кремния с газом монооксида углерода CO на границе раздела 3C-SiC(111)/Si(111) образуется тонкий промежуточный слой с диэлектрической проницаемостью, соответствующей полуметаллу. 3.Теоретически, методами с использованием методов квантовой химии были рассчитаны свойства границы раздела 3C-SiC(111)/Si(111), отвечающей минимуму энергии. Оказалось, что атомы кремния из подложки притягиваются к границе раздела, находящейся со стороны пленки SiC. Группа симметрии всей системы соответствует P3m1. 4.Установлено, что 3C-SiC сжат (а не растянут, как в методе CVD) с напряжением ~0.5 GPa при характерной толщине пленки 3C-SiC ~100 nm. Расчеты показали, что атомы Si в карбиде кремния на границе раздела, которые находятся максимально далеко от атомов Si подложки и не образуют с ними химической связи (их всего 12%), обеспечивают резкий пик в плотности электронных состояний вблизи энергии Ферми. В результате валентная зона и зона проводимости сливаются. Доказано, что p-электроны части атомов Si в SiC, находящиеся на границе раздела фаз дают основной вклад в узкий и резкий пик плотности электронных состояний 3C-SiC(111)/Si(111), находящейся в окрестности энергии Ферми. 5.Впервые исследовано воздействие ансамбля пор на упругие и термомеханические свойства подложек SiC/Si, получаемых методом согласованного замещения атомов оставалось неисследованным. Выполнены расчеты упругих констант пористого слоя. 6.Разработан новый метод эпитаксиального роста пленок сульфида кадмия в метастабильной кубической фазе на поверхности SiC/Si c использованием метода ALD. 7.Экспериментально обнаружено явление самоорганизованного изменения состава в процессе роста пленок AlxGa1-xN методом хлорид-гидридной эпитаксии (HVPE). В процессе роста слоя AlxGa1-xN, внутри слоя пленки происходит самопроизвольное образование тонких, толщиной ~ 80–100 nm прослоек (доменов) AlGaN, имеющих состав близкий к стехиометрическому. Эти прослойки (домены) расположены между слоями AlxGa1-xN с низким содержанием Al, близким по составу к GaN толщиной ~ 1.6 –2.5 mkm. Граница раздела между прослойками (доменами) AlGaN и слоями AlxGa1-xN с низким процентным содержанием алюминия, является резкой. Расположение прослоек (доменов) по толщине слоя пленки является апериодическим. Разработана модель, объясняющая это явление. 8.Впервые проведено исследование и сравнение пъезо и -пиросвойств объемного монокристалла AlN, выращенного сублимационным сандвич-методом с пъезо и -пиросвойствами и эпитаксиального слоя чистого AlN, без примесей GaN, выращенного методом HVPE. Измерения показали, что монокристаллов AlN пирокэффициент примерно равен 16 мкКл/(м2 · К), а у пленок AlN значения пиро-коэффициентов в среднем, оказались выше и принимали значения от 15 мкКл /(м2 · К) до 30 мкКл / (м2 · К). Обнаружено, что во всех образцах твредых растворов AlxGa1-xN наблюдалась значительная частотная дисперсия диэлектрической проницаемости. Величина диэлектрических потерь (tgδ) в этих образцах была на порядок ниже, чем в чистом нитриде алюминия. 9.Исследования показали, что пироэлектрический коэффициент слоев AlxGa1-xN, выращенных непосредственно на SiC/Si(111) в два раза превышает пироэлектрический коэффициент пленок AlxGa1-xN, выращенных на подложках AlN/SiC/Si(111) и практически в 1,5 раза превышает пироэлектрический коэффициент пленок AlN, который достигал теоретически возможных значений. 10.Впервые, экспериментально обнаружены следующие нетривиальные квантовые эффекты при комнатной температуре. Первый эффект — это эффект возникновения квантования магнитного момента в структурах SiC, выращенных методом согласованного замещения атомов на Si (110) и Si (111). Второй эффект — это эффект образования гистерезиса статической магнитной восприимчивости при комнатной температуре в слабых магнитных полях. Образование гистерезиса статической магнитной восприимчивости интерпретировано, как проявление эффекта Мейснера – Оксенфельда при комнатной температуре.

Публикации

1. Баграев Н.Т., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Романов В.В., Клячкин Л.Е., Маляренко А.М., Хромов В.С. Магнитные свойства тонких эпитаксиальных слоев SiC, выращенных методом самосогласованного замещения атомов на поверхностях монокристаллического кремния Физика и техника полупроводников, том 55, вып. 2 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/FTP.2021.02.50493.9538

2. Корякин А.А., Еремеев Ю.А., Осипов А.В., Кукушкин С.А. Влияние пористости слоя кремния на упругие свойства гибридных подложек SiC/Si Письма в журнал технической физики, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.03.50571.18579

3. Кукушкин С. А., Осипов А.В. Оптические свойства, зонная структура и проводимость межфазной границы раздела гетероструктуры 3C-SiC(111)/Si(111), выращенной методом замещения атомов Письма в ЖТФ, том 46, вып. 22 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.22.50298.18439

4. Кукушкин С.А., Осипов А.В., Романычев А.И., Касаткин И.А., Лошаченко А.С. Низкотемпературный рост кубической фазы CdS методом атомно-слоевого осаждения на гибридных подложках SiC/Si Письма в ЖТФ, том 46, вып. 21 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.21.50186.18466

5. Кукушкин С.А., Шарофидинов Ш.Ш. , Осипов А.В., Гращенко А.С., Кандаков А.В., Осипова Е.В., Котляр К.П., Убыйвовк Е.В. Самоорганизация состава пленок AlxGa1-xN, выращенных на гибридных подложках SiC/Si Физика твердого тела, - (год публикации - 2021)

6. Сергеева О.Н., Солнышкин А.В., Кукушкин С.А., Шарофидинов Ш.Ш., Казарова О.П., Мохов Е.Н., Каптелов Е.Ю., Пронин И.П. Dielectric and polar properties of aluminum nitride single crystals Ferroelectrics, - (год публикации - 2021)

7. - Ученые РФ разработают методы повышения эффективности и надежности полупроводников ТАСС, 8 апреля 2020, 10:51, ТАСС, 8 апреля 2020, 10:51 (год публикации - )

8. - Ученые РФ нашли способ усилить терагерцевый томограф для терапии легочных осложнений TACC, 23 апреля 2020, 13:15, TACC, 23 апреля 2020, 13:15 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Обнаружено, что в SiC, выращенном методом согласованного замещения атомов на кремнии, легированном бором, образуется стабильный плоский кластер из 4 атомов C и дополнительной полостью непосредственно под ним. Данный центр назван C4V центром. Показано, что C4V центры обладают магнитным моментом, равным магнетону Бора μ_B. 2. Построена теория начальных стадий зарождения AlN слоев ориентации (0001) на гибридных подложках нового типа SiC/Si (111), на примере роста слоев AlN методом хлорид-гидридной эпитаксии (HVPE). Предложены способы управления механизмами роста пленок AlN на подложках SiC/Si (111). 3. Впервые проведено измерение пъезо и -пиросвойств слоев AlGaN, выращенных на (110) SiC/Si. Выяснено, что пъезо и -пиросвойств слоев AlGaN существенно зависят от структуры и состава слоев AlGaN, формирующихся на начальной стадии их роста. Обнаружено, что на межфазной границе SiC/Si (110) на самых ранних этапах роста зарождаются двойниковые структуры AlGaN с высокой мольной долей AlN в ориентации соответствующей плоскостям (1013). 4. Впервые исследован электронный парамагнитный резонанс вакансионных центров в SiC/Si. Экспериментально, при помощи оптического детектирования обнаружен магнитный резонанс (ОДМР) кремниевой вакансии в SiC. Проведено электрическое детектирование ЭПР (ЭДЭПР) кремниевой вакансии в SiC/Si. 5.Впервые обнаружена генерация собственного терагерцового излучения из наноструктур карбида кремния, возникающего в условиях пропускания продольного тока исток−сток. 6.Экспериментально зарегистрирована электролюминесценция в среднем и дальнем ИК-диапазоне из наноструктур карбида кремния на кремнии, полученных в рамках холловской геометрии. Показано, что спектры электролюминесценции, полученные в терагерцевом частотном диапазоне 3,4 ТГц, и 0.12 ТГц, возникают вследствие квантового эффекта Фарадея.

Публикации

1. Баграев Н.Т., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Клячкин Л.Е., Маляренко А.М., Хромов В.С. Терагерцовое излучение из наноструктур карбида кремния Физика и техника полупроводников, том 55, вып. 11, с.1027-1033 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/FTP.2021.11.51556.9709

2. Баграев Н.Т., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Клячкин Л.Е., Маляренко А.М., Хромов В.С. Регистрация терагерцового излучения с помощью наноструктур карбида кремния Физика и техника полупроводников, том 55, вып. 12, с. 1195-1202 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/FTP.2021.12.51705.9620

3. Гращенко А.С., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Шарофидинов Ш.Ш. Nanoindentation of AlN, GaN, and AlGaN films grown by HVPE on SiC/Si hybrid substrates Journal of Physics: Conference Series, 1954 012009 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1954/1/012009

4. Еремеев Ю.А., Корякин А.А., Кукушкин С.А. Elastic properties of porous silicon layer of hybrid SiC/Si substrates IOP Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2021)

5. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Spin Polarization and Magnetic Moment in Silicon Carbide Grown by the Method of Coordinated Substitution of Atoms Materials, 14(19), 5579 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ma14195579

6. Шарофидинов Ш.Ш., Кукушкин С.А., Старицын М.В., Солнышкин А.В., Сергеева О.Н., Каптелов Е.Ю., Пронин И.П. Структура и свойства композитов на основе нитридов алюминия и галлия, выращенных на кремнии разной ориентации с буферным слоем карбида кремния Физика твердого тела, - (год публикации - 2022)

7. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Nanoscale Single-Crystal Silicon Carbide on Silicon and Unique Properties of This Material Inorganic Materials, Vol. 57, No. 13, pp. 1–21 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1134/S0020168521130021

8. Еремеев Ю.А., Корякин А.А., Кукушкин С.А. Stress relaxation mechanisms in hybrid SiC/Si(111) substrates grown by the atomic substitution method Saint Petersburg OPEN 2021, 8 th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures p. 43-44 (год публикации - 2021)

9. Кукушкин С.А. Создание энергоемких функциональных материалов – применение в образовании Международная конференция «Трансформация в образовательных технологиях, энергетика, IT и бизнес: вызовы и возможности». 19 ноября 2021 года, Алматы, Казахстанско-Британский технический университет, Международная конференция «Трансформация в образовательных технологиях, энергетика, IT и бизнес: вызовы и возможности». 19 ноября 2021 года, Алматы, Казахстанско-Британский технический университет (год публикации - 2021)

10. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Наномасштабный монокристаллический карбид кремния на кремнии и его уникальные свойства XXII Зимняя школа по механике сплошных сред, г. Пермь, XХII Зимняя школа по механике сплошных сред Пермь, 22 – 26 марта 2021г. Тезисы докладов /ПФИЦ УрО РАН, стр.33. (год публикации - 2021)

11. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Наномасштабный монокристаллический карбид кремния на кремнии и его уникальные свойства. От теории до производства IX Всероссийская конференция с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах ФАГРАН-2021, г. Воронеж, Материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, стр.22-23 (год публикации - 2021)

12. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Nanoscaled silicon carbide on silicon: a new bandgap material for micro- and optoelectronics and its unique properties VI International Conference on Metamaterials and Nanophotonics. METANANO-2021. Tbilisi, Georgia, Scientific publication of Conference materials METANANO 2021 (год публикации - 2021)

13. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Наномасштабный монокристаллический карбид кремния на кремнии и его уникальные свойства 15-я Международная конференция «Пленки и покрытия – 2021», г. Санкт-Петербург, Пленки и покрытия-2021: Труды 15-й Международной конференции. 18 мая – 20 мая 2021 г. Под редакцией д-ра техн. наук В.Г. Кузнецова. – СПб: Изд-во ООО "РПК "АМИГО-ПРИНТ", 2021. с.222-225 (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
результатов для публикации на сайте РНФ 1.Создан новый материал для спинтроники – вакансионный карбид кремния на кремнии. Материал всесторонне исследован. Разработан метод, позволяющая получать в карбиде кремния кремниевые вакансии с плотностью порядка n_(V_Si )~ 1020 см-3, в котором образуются C_4V_Si структуры (здесь C– атомы углерода; V_Si – кремниевые вакансий), обладающие магнитным моментом равным магнетону Бора (μ_B). Зонная структура данного материла для носителей заряда, например со спином «вверх», соответствует зонной структуре стандартного SiC-3C, а зонная структура для носителей заряда, имеющих противоположное направление спина, например со спином «вниз», кардинально отлична. В зависимости от концентрации кремниевых вакансией ширина запрещенной зоны для носителей заряда со спином «вниз» может уменьшиться до нуля и, такой карбид SiC-3С может превратиться в магнитный полуметалл. 2.Впервые при использовании метода хлорид-гидридной эпитаксии (HVPE) в одном процессе получены два класса кристаллов AlN, а именно, алюминий полярные кристаллы («Al полярный» слой) и азот полярные кристаллы AlN («N полярный» слой) на эпитаксиальной пленке карбида кремния, синтезированного методом согласованного замещения атомов на поверхности кремния ориентации (110). Показано, что полуширина рентгеновской кривой качания (FWHMω—θ) для дифракционного пика (10-13) от микрокристаллов AlN, усредненная по площади образца, составляет 20 угловых минут, как для «Al полярного» слоя, так и для «N полярного» слоя, что является рекордным значением для AlN выращенного методом HVPE на кремнии. Построена теоретическая модель, объясняющая одновременное зарождение двух ориентаций кристаллов AlN на SiC/Si(110). Показано, что путем изменения отношения V/III в газовой фазе можно изменять отношение числа кристаллов, растущих в двух данных направлениях. Подложка с данными слоями является новым уникальным буферным слоем для роста гетероструктур на основе соединений A3B5. 3.В пленках карбида кремния, выращенных на подложках монокристаллического кремния методом согласованного замещения атомов при значениях температур равных: 560С, 760С, 1220С и 1300С обнаружены резкие изменения (скачки) продольного сопротивления и теплоемкости. С учётом обнаруженного ранее в этих образцах и при этих температурах возникновения гигантского значения диамагнетизма, эти особенности в поведении продольного сопротивления и теплоемкости, интерпретированы как электронные фазовые переходы в ансамблях носителей заряда в когерентное состояние. 4.Экспериментально обнаружена двух- и одночастичной интерференция носителей заряда (двумерные дырки) на микродефектах на границе SiC–Si. Показано, что одночастичная интерференция индуцируется одиночными дырками в вакансионных структурах C_4V_Si, в SiC, а двухчастичная интерференция обусловлена взаимодействием пар дырок в двух соседних полостях (порах), образующихся на границе SiC–Si.

Публикации

1. Баграев Н.Т., Кукушкин С.А., Осипов А.В, Романов В.В., Клячкин В.В., Маляренко А.М., Руль Н.И. Room-temperature quantum oscillations of static magnetic susceptibility of silicon-carbide epitaxial layers grown on a silicon substrate by the method of the coordinated substitution of atoms Materials Physics and Mechanics., V. 50(1), P. 66-73. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18149/MPM.5012022_5

2. Баграев Н.Т., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Уголков В.Л. Фазовые переходы в эпитаксиальных слоях карбида кремния, выращенных на кремниевой подложке методом согласованного замещения атомов Физика и техника полупроводников, том 56, вып. 7, стр. 715-718 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/FTP.2022.07.52766.24

3. Гращенко А.С., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Шарофидинов Ш.Ш. Наноиндентирование пленок AlGaN, сформированных на подложках SiC/Si, выращенных методом согласованного замещения атомов Известия РАН. Механика твердого тела, - (год публикации - 2022)

4. Еремеев Ю.А., Воробьев М.Г., Гращенко А.С., Пирогов Е.В., Андреева В.Д., Осипов А.В., Кукушкин С.А. The evolution of the crystal microstructure of the hybrid SiC/Si substrates growing by the method of atomic substitution НТВ СПбГПУ Физико-математические науки, Vol. 16, № Physica.SPb (год публикации - 2023)

5. Корякин А.А. Кукушкин С.А., Осипов А.В., Шарофидинов Ш.Ш., Щеглов М.П. Growth mechanism of semipolar AlN layers by HVPE on hybrid SiC/Si(110) substrates. Materials, V.15, 6202 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ma15186202

6. Корякин А.А., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Шарофидинов Ш.Ш. Режимы роста пленок нитрида алюминия на гибридных подложках SiC/Si(111) Физика твердого тела, том 64, вып. 1, с.117-124 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/FTT.2022.01.51840.209

7. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Dielectric Function and Magnetic Moment of Silicon Carbide Containing Silicon Vacancies Materials, Volume 15, 4653 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ma15134653

8. Кукушкин С.А., Осипов А.В., Осипова Е.В., Стожаров В.М. Исследование этапов превращения кремния в карбид кремния в процессе атомного замещения методами полного внешнего отражения рентгеновских лучей и рентгеновской дифрактомерии Физика твердого тела, том 64, вып. 3, с. 326-336 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/FTT.2022.03.52093.232

9. Солнышкин А.В., Сергеева О.Н., Шустова О.А., Шарофидинов Ш.Ш., Старицын М.В., Каптелов Е.Ю., Кукушкин С.А., Пронин И.П. Диэлектрические и пироэлектрические свойства композитов на основе нитридов алюминия и галлия, выращенных методом хлорид-гидридной эпитаксии на подложке карбида кремния на кремнии Письма в журнал технической физики, том 47, вып. 9, стр. 7-10 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.09.50898.18673

10. Шустова О.А., Сергеева О.Н.,Солнышкин А.В., Зезианов И.Т., Каптелов Е.Ю., Пронин И.П., Шарофидинов Ш.Ш., Кукушкин С.А. Dielectric and pyroelectric properties of AlN singlecrystal layers grown by chloride-hydride epitaxy Ferroelectrics, Vol. 591, 121–127 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1080/00150193.2022.2041930

11. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Эпитаксиальный карбид кремния на кремнии. Метод согласованного замещения атомов (Обзор) Журнал общей химии, том 92, № 4, с. 547–577 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0044460X22040023

12. Еремеев Ю.А., Воробьев М.Г., Гращенко А.С., Пирогов Е.В., Андреева В.Д., Осипов А.В., Кукушкин С.А. Эволюция кристаллической микроструктуры гибридных подложек SiC/Si, выращенных методом замещения атомов International conference PhysicA.SPb/2022, ФизикА.СПб, стр. 144-146 (год публикации - 2022)

13. Кукушкин С. А., Осипов А. В. Карбид кремния с кремниевыми вакансиями — новый материал для спинтроники 8-я Научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» Роза Хутор, 2–8 октября 2022 г., 8-я Научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули», Сборник тезисов, стр. 598-599 (год публикации - 2022)

14. Кукушкин С. А., Осипов А. В. Эпитаксиальный нано-карбид кремния на кремнии – новый материал для микроэлектроники 8-я Научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» Роза Хутор, 2–8 октября 2022 г., 8-я Научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули», Сборник тезисов, стр. 604-605 (год публикации - 2022)

15. Кукушкин С.А., Баграев Н.Т., Осипов А.В. Наномасштабный монокристаллический карбид кремния на кремнии и его уникальные свойств НАНОФИЗИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА XXV международный симпозиум, стр. 695-696, НАНОФИЗИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА XXV международный симпозиум (год публикации - 2022)

Возможность практического использования результатов
1. Развитый в проекте метод позволяет заменить дорогие монокристаллы SiC, на дешевые монокристаллические пленки SiC на Si. 2. Развитый в проекте метод позволяет модифицировать подложку Si таким образом, чтобы стало возможным сразу, без создания дорогих переходных буферных слоев, выращивать гетероструктуры на основе GaN, AlN, ZnO и других широкозонных полупроводников на Si для миро-и оптоэлектроники, что открывает беспрецедентные условия для создания нового поколения приборов. 3. Развитый в проекте метод позволяет выращивать широкий спектр многочисленных полупроводниковых материалов имеющих важное прикладное значение (оптоэлектроника и солнечные элементы), например таких как соединения, как A3B5 и A2B6, которые включают в себя такие материалы как: AlNб GaN, AlGaN, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, ZnS и другие соединения, которые весьма трудно вырастить на Si по причине большого различия в их параметрах решеток и их химического взаимодействия в процессе синтеза с кремниевой подложкой с образованием неконтролируемых химических соединений на межфазной поверхности пленка-подложка. Пленка SiC химически инертна. 4. Развитый в проекте метод позволяет производиться готовые пластины диаметром 2,3 и 4 дюйма со слоем AlN/SiC/Si с толщиной AlN 0,2-100 мкм, для различного вида акустических датчиков, мембран, пиродатчиков и ультрафиолетовых светодиодов. 5. Развитый в проекте метод, позволяет производить готовые пластины диаметром 2,3 и 4 дюйма со слоем GaN/AlN/SiC/Si с толщиной GaN 0,5-400 мкм, для светодиодов, HEMPT, транзисторов, ультрафиолетовых датчиков, диодов Шоттки и других электронных приборов. 6. Развитый в проекте метод, позволяет производить готовые пластины диаметром 2,3 и 4 дюйма со слоем AlGaN/AlN/SiC/Si и сслоеем AlGaN/SiC/Si с толщиной GaN 0,5-450 мкм, для светодиодов, HEMT, транзисторов, ультрафиолетовых датчиков, диодов Шоттки. 7. Слой AlGaN диаметром 2 дюйма и толщиной 450 мкм был впервые целиком отделен от подложки SiC/Si. Он может служить самостоятельной подложкой для роста слоев GaN и гетероструктур. 8. Развитый в проекте метод позволяет производить готовые пластины диаметром 2,3, 4 и 6 дюймов с гетероструктурами SiC на Si, которые могут быть использованы для создания нового поколения электронных и оптоэлектронных приборов разработана технология создания светодиодных чипов для миро-LED и созданы первые, промышленного качества образцы микро- светодиодов на пластинах карбида кремния на кремнии. 9. Изготовлены первые в мире опытные образцы микрочипов, для микро светодиодов (Micro LED) толщиной порядка 5-20 мкм на основе гетероструктуры AlInGaN/GaN, сформированной на Si с буферным слоем наномасштабного SiC. 10. Разработаны и созданы терагерцовые приемники и излучали работящие в диапазоне терагерцовых частот 0,12 и 3,4. ТГц на подложках SiC/Si. 11. Разрабатывается технология создания датчиков ультрафиолетового диапазона с длиной волны менее 320 нм на подложке нового типа − карбид кремния на кремнии. 12. Разработана технология создания на подложках SiC/Si пиро и пьзодатчиков с пирокоэффициентом 12 μC/(m2K) со слоем AlN и 18μC/(m2K) со слоем AlGaN, что на сегодняшний день в три раза превышает подобные коэффициенты известных материалов, изготовленных на основе AlN. 13. Разрабатывается технология создания HEMT транзисторов на подложках SiC/Si. В настоящее время получены первые обнадеживающие результаты с подвижностью носителей заряда в HEMT структуре около 1430 см^2/(В·с). 14. Метод согласованного замещения атомов позволяет получать в карбиде кремния на кремнии, кремниевые вакансии с плотностью порядка n_(V_Si )~ 1020 см-3, в котором образуются C_4V_Si структуры, обладающие магнитным моментом. Этот материал может обеспечить высокую плотность спин-поляризованного тока, т.е. является новым, перспективным кандидатом для спинтроники.