Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Изучен рост многослойных периодических структур и сверхрешеток, включающих упругонапряженные слои GeSiSn с содержанием олова от 0 до 18 %. Установлена кинетическая диаграмма роста слоев GeSiSn с высоким содержанием Sn в диапазоне температур 100 – 300 °C. На основе кинетических диаграмм роста пленок GeSiSn выбиралась область толщин, соответствующая псевдоморфному состоянию. Преимуществом таких пленок по сравнению с толстыми слоями является отсутствие в них дислокаций. Знание области существования упругонапряженных пленок дает возможность выбирать параметры роста многослойных периодических структур. В процессе роста кремния поверх слоев GeSiSn наблюдались различные сверхструктуры в зависимости от содержания олова в слое твердого раствора и температуры осаждения кремния в многослойной периодической структуре. Эти сверхструктуры соответствуют определенному покрытию олова. Применение двухстадийного роста кремния при низкой и высокой температурах позволило достичь минимальной сегрегации олова из слоев GeSiSn. Методом рентгеновской дифрактометрии изучены напряженное состояние, состав, качество гетерограниц и термическая стабильность многослойных периодических структур. Псевдоморфное состояние подтверждалось присутствием серии сателлитов на кривых дифракционного отражения. Показано, что отжиг образцов вплоть до 550 °C не приводит к заметному смещению нулевого сателлита, определяющего средний состав слоя твердого раствора. Изучен рост наноструктур (кросс-структур) на фасетированной поверхности, которая получалась в результате осаждения кремния на субмонослойное покрытие олова. Фасетированная поверхность состоит из ячеек в форме перевернутых пирамид с квадратным основанием. Средний размер основания перевернутой пирамиды около 60 нм и высота пирамиды, соответствующая глубине ямки, около 19 нм. Боковая грань пирамиды с плоскостью (001) образует угол 25°, соответствующий семейству плоскостей {113}. Рост тонкого слоя GeSn на фасетированной поверхности в зависимости от скорости осаждения может приводить либо к формированию массива наноостровков в центре каждой ячейки и массива нанонитей, заполняющих одну или две линии пересечения граней обратной пирамиды, образующей ячейку фасетированной поверхности, либо массива кросс-структур, состоящих из 4 линий пересечения граней перевернутой пирамиды. Массив кросс-структур получен как на поверхности кремния, так и на поверхности многослойных периодических структур, включающих слои GeSiSn. Используя фасетированную поверхность, были получены структуры, содержащие слои GeSiSn, для измерения оптических констант. В приближении однопроходной схемы задачи рассеяния были определены коэффициенты поглощения. Показано увеличение поглощения от энергии фотона с увеличением содержания олова в слоях твердого раствора GeSiSn. Изучение оптических свойств полученных наноструктур проводилось методами низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ). На основе этих измерений был выбран тип кремниевой подложки, наилучшим образом подходящий для эпитаксиального выращивания излучающих структур Ge1-x-ySixSny/Si. Исследовано влияние температуры, а также мощности и длины волны накачки на спектры ФЛ. Продемонстрировано увеличение интенсивности инфракрасного излучения наноструктуры при изменении числа периодов сверхрешётки Ge1-x-ySixSny/Si с 10 до 20 периодов. На основе измерений фототока диодных структур со сверхрешетками Ge0.3Si0.7-ySny/Si в активной области была экспериментально определена красная граница межзонной фотопроводимости в зависимости от содержания олова в квантовых ямах. В диапазоне составов олова от 3.5 до 9 % наблюдается линейная зависимость энергии красной границы фотопроводимости от состава. С увеличением содержания Sn до 12.5 % зависимость пороговой энергии фотопроводимости от состава отклоняется от линейного закона. Обнаружено, что в структурах Ge0.3Si0.7-ySny/Si с псевдоморфными слоями Ge0.3Si0.7-ySny с содержанием Sn 12.5 % наблюдается межзонная фотопроводимость вплоть до длины волны 2 мкм. Был получен двумерный фотонный кристалл, представляющий собой упорядоченный массив отверстий в эпитаксиальном слое на основе многослойных структур GeSiSn/Si. Отверстия создавались с помощью реактивного ионного травления структур с квантовыми ямами GeSiSn через металлическую маску. В результате получали фотонный кристалл, состоящий из двух чередующихся в плоскости материалов – SiGeSn (основной материал) и воздух, которым наполнены цилиндрические отверстия. Подобран режим плазмохимического травления слоистой гетероструктуры в плазме CF4 через металлическую маску, определена скорость травления. Получены данные по форме и размерам отверстий после травления. Методами численного моделирования исследованы электромагнитные характеристики фотонно-кристаллических решеток на основе массива цилиндрических отверстий, содержащих многослойные периодические структуры с квантовыми ямами GeSiSn на подложке КНИ (кремний-на-изоляторе). Рассчитаны спектры отражения и пропускания, которые позволили определить необходимую толщину оксидного слоя, размеры цилиндрических отверстий. Определена роль волноводных резонансов и резонансов Фабри-Перо на спектры отражения и пропускания, а также локализацию электромагнитного поля в структуре.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Разработан дизайн плазмонных и фотонно-кристаллических структур, включающие множественные квантовые ямы (МКЯ) GeSiSn/Si и наноструктуры GeSn. Было проведено комплексное исследование оптических свойств фотонно-кристаллических структур с помощью численного моделирования и отработана технология их изготовления. Оптимизирована глубина отверстий, позволяющая эффективно возбуждать квазиволноводные моды и не затрагивать активный слой, включающий множественные квантовые ямы GeSiSn/Si. Продемонстрировано усиление сигнала фотолюминесценции (ФЛ) в структуре с метаповерхностью, представленной массивом алюминиевых крестообразных структур, более чем в 2.5 раза на длине 1.77 мкм за счет возбуждения локализованных плазмонов. Для всех фотонно-кристаллических структур с МКЯ GeSiSn/Si наблюдается явное увеличение ФЛ от области с фотонным кристаллом относительно области исходного образца почти на порядок в узком интервале длин волн на резонансных частотах. Установлено, что отжиг структур с МКЯ GeSiSn/Si в диапазоне 500-700 °C приводит к смене механизмов ФЛ от люминесценции с участием излучательных вакансионных комплексов к межзонной фотолюминесценции. Получена межзонная фотолюминесценция структур с МКЯ с шириной квантовой ямы GeSiSn от 1 до 3 нм, а также с различным содержание Ge и Sn. Положение пика ФЛ МКЯ Ge0.93-xSixSn0.07/Si, наблюдающегося для отожжённых образцов, смещается в длинноволновую область с увеличением содержания Ge в твёрдом растворе: 30% ~ 0.850 эВ, 40% ~ 0.790 эВ, 50% ~ 0.747 эВ, 78% ~ 0.703 эВ. Таким образом, смещение пика по длине волны наблюдалось от 1.46 мкм до 1.76 мкм, а общий спектральный диапазон люминесценции МКЯ, перекрываемый данными структурами, составлял 1.3-2.0 мкм. Ещё более существенного смещения пика ФЛ МКЯ в длинноволновую область удалось добиться за счёт повышения содержания олова. За счёт увеличения доли Sn с 7% до 14% при неизменной доле Ge 30% продемонстрирован сдвиг пика от 0.850 эВ до 0.752 эВ. Одновременное повышение содержания, как олова, так и германия в твёрдом растворе (до 14% и 79%, соответственно) позволило получить пик ФЛ с энергией 0.580 эВ, что соответствует длине волны излучения 2.14 мкм. Обнаружен резкий «красный» сдвиг положения пика ФЛ при увеличении температуры, величина которого составляла до 50 мэВ при изменении температуры нагрева образца с 11К до 60-80К. Столь существенная величина сдвига положения пика ФЛ МКЯ объяснена в рамках модели, предполагающей, что при малых температурах носители заряда случайным образом локализованы в локальных минимумах, образуемых вследствие пространственной неоднородности МКЯ, то есть находятся в термодинамически неравновесном состоянии. При повышении температуры происходит их перераспределение, и они постепенно переходят к термодинамически равновесному состоянию с наименьшей энергией. Предложена модель, описывающая формирование наноструктурированной фасетированной поверхности. Процесс образования фасетированной поверхности по механизму пар-жидкость-кристалл можно представить как появление двумерных зародышей Si на трехфазной границе (пар, жидкая капля Sn и кристалл) и формирование фронта кристаллизации под каплей с одновременным образованием пьедестала. Впервые получен массив кросс-структур и наноостровков GeSn с использованием наноструктурированной фасетированной поверхности в верхней части структуры с МКЯ. Исследованы закономерности формирования наноструктур GeSn от скорости осаждения, толщины слоя, а также температуры роста. Изготовлена серия диодов с p-i-n структурой, включающей множественные квантовые ямы GeSiSn/Si с содержанием олова вплоть до 15%. Показано, что увеличение содержания олова от 4.5 до 13% приводит к плавному увеличению темнового тока с 6×10^-6 А/см^2 до 5×10^-5 А/см^2 при обратном смещении 1 В. Дальнейшее увеличение содержания олова до 15% приводит к росту плотности темнового тока до величины 5×10^-4 А/см^2. Однако, эти величины темновых токов являются наименьшими среди известных из литературы для системы GeSiSn/Si. Продемонстрировано, что увеличение содержания олова в гетероструктурах приводит к смещению длинноволновой границы фотоответа. При содержании олова более 10% спектр фотоответа детектора простирается вплоть до длин волн более 2 мкм. Экспериментально установлено, что сопряжение гетероструктур на основе МКЯ с фотонным кристаллом приводит к увеличению фотоответа таких структур в широком диапазоне длин волн. Усиление на длине волны 1.15 мкм составило 10 раз, тогда как на длине волны 1.3 мкм 4.5 раза. Дальнейшие эксперименты будут направлены на оптимизацию структур и фотонных кристаллов для наиболее эффективного усиления во всех спектральных диапазонах окон прозрачности, утвержденных Международным союзом телекоммуникаций.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Методами численного моделирования исследованы электромагнитные характеристики метаповерхностей на основе алюминиевых крестов, расположенных на поверхности наногетероструктур GeSiSn/Si с подложкой кремний на изоляторе (КНИ). Показано, что спектральное и пространственное перекрытие локализованного плазмона в крестах и волноводных мод в полупроводниковой пленке приводит к образованию гибридных мод, обладающих резонансным профилем типа Фано. Установлено, что золотые нанокресты, внедренные в полупроводниковую структуру, позволяют получить резонанс Фано в ближнем инфракрасном диапазоне (1.5-2 мкм) и локализовать, и усилить электрическое поле в 3 раза вследствие перекрытия локализованного плазмонного резонанса и дифракционной рэлеевской аномалии. Были разработаны две конфигурации гибридных структур: 1) массив плазмонных наноантенн на структуре с МКЯ, выращенными на подложке кремний на изоляторе; 2) массив плазмонных наноантенн, погруженных вглубь структуры с МКЯ на расстояние до 90 нм. Удалось показать возможность существенного усиления фотолюминесценции МКЯ Ge0.84Si0.076Sn0.084/Si за счет использования гибридных плазмонных структур. Коэффициент усиления фотолюминесценции составил до 250% на длине волны 1.9 мкм, совпадающей с максимумом спектра коэффициента отражения гибридной структуры. Был проведен расчет карт значений ширины запрещенной зоны для упругонапряженного слоя GeSiSn на подложках Si и Ge(100). Показано, что ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне энергий от 1 до 0 эВ для содержания Si от 0 до 80% и Sn от 0 до 20% в слое GeSiSn. Кроме того, при определенном содержании Sn можно получить прямозонный материал как на подложке Si, так и на подложке Ge. Для гетеросистемы Si/GeSiSn/Si с квантовой ямой GeSiSn при определенном уровне деформации сжатия в слое Ge1-x-ySixSny разного состава может происходить смещение Δ4 подзоны ниже минимума X долины в кремнии. Это приводит к переходу от гетероструктуры II типа к гетероструктуре I типа. Изучен рост гетероструктур с толстыми слоями GeSn с высоким содержанием олова. В приближении однопроходной схемы задачи рассеяния были определены показатели поглощения слоев твердого раствора GeSiSn с содержанием олова до 8.5%. Показано увеличение поглощения от энергии фотона с увеличением содержания олова. Высокий показатель поглощения порядка 10^4 см^-1 достигается на разных длинах волн для слоев GeSn и GeSiSn разного состава. Наибольшая длина волны 2.4 мкм для этого показателя поглощения наблюдается у слоя Ge0.915Sn0.085. Показано, что формирование слоев германия над квантовыми ямами GeSiSn/Si позволяет добиться существенного смещения положения пика люминесценции МКЯ в длинноволновую область спектра. Величина смещения составила до 170 мэВ в случае МКЯ Ge0.84Si0.076Sn0.084/Si с толщиной слоя твердого раствора 0.5 нм, что соответствовало сдвигу по длине волны излучения от 1.61 мкм до 2.07 мкм. Оптимизация параметров роста гетероструктур с МКЯ Ge0.3Si0.63Sn0.07/Si с точки зрения их люминесцентных свойств путем варьирования температур роста слоев показала, что повышение температуры роста твердого раствора позволяет добиться повышения интенсивности пика межзонной люминесценции, и одновременно снизить вероятность излучательной рекомбинации с участием дефектов в структуре. Анализ влияния различных методов отжига на инфракрасную фотолюминесценцию наногетероструктур GeSiSn/Si с множественными квантовыми ямами позволил определить, что использование быстрого отжига галогеновой лампой в течение 1 минуты позволяет на порядок повысить интегральную интенсивность фотолюминесценции структур за счет снижения концентрации дефектов, способствующих безызлучательной рекомбинации. Одновременно также существенно снижаются эффекты смещения пика излучения МКЯ GeSiSn/Si с ростом температуры быстрого отжига по сравнению с более длительным отжигом в кварцевой печи при тех же температурах, что свидетельствует о меньшей диффузии олова в гетероструктурах. Продемонстрировано трехкратное снижение вклада дефектов в люминесценцию наногетероструктур GeSiSn/Si с множественными квантовыми ямами за счет применения дополнительного отжига структуры в водородной плазме, что может быть использовано для постростовой обработки излучающих гетероструктур. Разработана серия p-i-n фотодиодов на основе МКЯ Ge0.84Si0.076Sn0.084/Si с фотонным кристаллом. Экспериментально установлено, что сопряжение гетероструктур на основе МКЯ GeSiSn/Si с фотонным кристаллом приводит к увеличению фототока таких структур в широком диапазоне длин волн. Увеличение содержания Ge и Sn в слоях твердого раствора приводит к смещению длинноволновой границы чувствительности до 1.8 мкм для МКЯ Ge0.84Si0.076Sn0.084/Si. Продемонстрировано максимальное усиление фототока более чем в 4 раза на длине волны около 1.3 мкм для p-i-n диодов, включающих фотонный кристалл, совмещенный с МКЯ Ge0.84Si0.076Sn0.084/Si. Были изготовлены p-i-n фотодиоды, включающие гибридную систему представленную массивом плазмонных наноантенн на структуре с МКЯ Ge0.84Si0.076Sn0.084/Si, выращенными на подложке кремний на изоляторе. Усиление фототока составило примерно 7 раз на длинах волн 1.73 мкм и 1.8 мкм. Гибридная структура в сравнении с фотонным кристаллом позволила получить многократное усиление фототока в длинноволновой инфракрасной области спектра. Для прояснения характера взаимодействия локализованного плазмона с волноводной модой были проведены расчеты распределения модуля электрического поля в гибридной структуре с МКЯ GeSiSn/Si для электромагнитной волны, падающей по нормали к поверхности структуры. Показано возбуждение отдельно локализованного плазмона и волноводной моды, а также формирование гибридных мод. Полученные результаты будут способствовать созданию на основе гетероструктур с МКЯ GeSiSn/Si инфракрасных излучателей и фотоприемников с повышенной эффективностью.