КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-79-10092

НазваниеРазработка фотонных кристаллов на основе наноструктур GeSiSn с элементами плазмоники

РуководительТимофеев Вячеслав Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники

Ключевые словафотонный кристалл, фотонная запрещенная зона, резонансная полость, поверхностный плазмон, экстраординарное пропускание, германий, кремний, олово, сверхрешетка, квантовая точка, наноструктура, молекулярно-лучевая эпитаксия, дифракция, люминесценция, оптические константы

Код ГРНТИ47.09.48


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Фотонные кристаллы, включающие новый класс материалов Ge-Si-Sn, открывают перспективы управления фотонами вследствие существования в этих кристаллах фотонной запрещенной зоны. В результате выполнения проекта будут созданы гибридные плазмон-фотонные структуры, включающие многослойные структуры и сверхрешетки с гетеропереходами GeSiSn/Si и GeSiSn/Ge, а также наногетероструктуры с квантовыми точками GeSiSn. Будет отработана технология роста многослойных структур и сверхрешеток с упругонапряженными слоями GeSiSn в диапазоне содержания Sn от 0 до 20 % и от 5 до 30 периодов, а также наногетероструктур с массивом наноостровков GeSiSn, полученных на структурированной поверхности по механизму пар-жидкость-кристалл. На базе полученных структур будут созданы фотонные кристаллы. Будет проведено численное моделирование оптических свойств фотонных кристаллов. Дизайн фотонного кристалла, его геометрические параметры, будут оптимизированы для усиления генерации основной моды. Впервые будет разработан фотонный кристалл на основе материла Ge-Si-Sn с элементами плазмоники. В качестве плазмонной структуры будет использоваться металлическая перфорированная пленка и массив металлических нанокластеров олова. Путем создания гибридной (плазмон-фотонной) структуры будет достигнуто максимальное усиление фотоотклика и квантового выхода фотоприемных и светоизлучающих устройств вследствие взаимодействия резонансных явлений, связанных с дифракцией и интерференцией (резонанс Фано, аномалии Рэлея-Вуда), а также плазмонных резонансов. Будут созданы эффективные инфракрасные светоизлучающие и фотоприемные устройства, представляющие интерес в оптоволоконных линиях связи, в фотонных интегральных схемах, в сенсорике и мониторинге окружающей среды.

Ожидаемые результаты
На основе элементов IV группы (Ge, Si, Sn) будет создан новый материал, представляющий собой фотонный кристалл с элементами плазмоники. Благодаря разработке фотонных кристаллов, включающих новый класс материалов Ge-Si-Sn, открываются возможности управления фотонами вследствие существования в этих кристаллах фотонной запрещенной зоны и необычных дисперсионных свойств. Обычные фотонные кристаллы обладают линейным законом дисперсии, однако, можно получить фотонные гиперкристаллы с гиперболическим законом дисперсии, который позволяет усилить вероятность спонтанной эмиссии, используя квантовые точки [1]. В современных линиях оптической связи и вычислительных устройствах стремятся к уменьшению габаритов и энергопотребления оптических схем, а также ведётся поиск совместимых между собой технологий. Сейчас есть несогласованность материалов и технологий устройств фотоники (которые традиционно основаны на материалах AIIIBV или, реже, АIIBVI) с электронными схемами считывания на базе кремния. Нами обнаружен эффект фотогенерации в структурах на основе GeSiSn, причём, длина волны близка к телекоммуникационной (1.55 мкм). Данные структуры полностью совместимы как с кремниевой технологией, так и с волноводными структурами на основе стекла и кварца. Расширение телекоммуникационного диапазона вплоть до 2 мкм и выше видится перспективным в оптоволоконных системах связи нового поколения в связи с более высокой скоростью передачи данных, а также сниженными потерями в этом диапазоне в сравнении с длиной волны 1.55 мкм [2-4]. Разработка фотонных устройств, совместимых с кремниевой технологией, в инфракрасном диапазоне вблизи 2 мкм и выше открывает возможности применений этих приборов в таких областях как сенсорика (газовые и биологические сенсоры), биомедицинская диагностика и мониторинг окружающей среды, а также астрофизика. Изменяя состав квантовой ямы GeSiSn, можно регулировать рабочую длину волны в диапазоне от 1.55 мкм вплоть до 4 мкм [5, 6]. Несмотря на то, что в настоящее время ведутся разработки эффективных фотонных устройств, использующие соединения GeSiSn, в них чаще всего используют толстые слои, осажденные на виртуальную подложку Ge. Такие структуры не лишены дислокаций. Мы отработали технологию роста многослойных структур и сверхрешеток с упругонапряженными бездислокационными слоями GeSiSn. Другой отличительной особенностью предлагаемого нового материала будет формирование на основе фотонного кристалла гибридных структур, которые включают плазмонную структуру в виде металлической перфорированной пленки или массива металлических нанокластеров. Металлическая пленка будет осаждаться в едином ростовом цикле без экспозиции на атмосферу, что исключает нежелательный процесс окисления и формирование дефектов. В большинстве работ, в области плазмоники, в качестве плазмонного материала применяют благородные металлы, такие как золото и серебро. Однако, эти металлы не совместимы с кремниевой технологией. В нашей технологии будет задействовано Sn, которое полностью совместимо с кремнием и не образует глубоких примесей, поскольку является изовалентным материалом по отношению к кремнию. В последние годы было продемонстрировано, что Sn может выступать как эффективный плазмонный материал. Возбуждение поверхностных плазмонов позволит значительно усилить фотогенерацию в гибридных структурах. Плазмон-фотонные структуры, включающие фотонный кристалл и металлическую пленку, а также разработанные на основе элементов IV группы (Ge, Si, Sn), найдут своё применение в качестве эффективных фотоприемников и излучателей не только в оптоволоконных системах, но и в таких областях, где требуется мониторинг источников теплового излучения (тепловидение), молекулярная спектроскопия в диапазоне от 2 до 4 мкм, где большинство молекул демонстрируют линии поглощения колебательно-вращательных переходов [7]. [1] T. Galfsky, J. Gu, E.E. Narimanov, and V.M. Menon, Photonic hypercrystals for control of light–matter interactions, Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(20) (2017) 5125-5129. https://doi.org/10.1073/pnas.1702683114 [2] X. Jiang, N.Y. Joly, M.A. Finger, F. Babic, Gordon K.L. Wong, J.C. Travers, and Philip S.J. Russell, Deep-ultraviolet to mid-infrared supercontinuum generated in solid-core ZBLAN photonic crystal fibre, Nature Photonics 9 (2015) 133-139. [3] W. Cao et al., High-speed silicon modulators for the 2 µm wavelength band, Optica 5(9) (2018) 1055-1062. [4] S. Xu, W. Wang, Y.-C. Huang, Y. Dong, S. Masudy-Panah, H. Wang, X. Gong, and Y.-C. Yeo, High-speed photo detection at two-micron-wavelength: technology enablement by GeSn/Ge multiple-quantum-well photodiode on 300 mm Si substrate, Optics Express 27(4) (2019) 5798-5813. [5] V. Timofeev, A. Nikiforov, A. Tuktamyshev, V. Mashanov, M. Yesin, A. Bloshkin, Morphology, Structure, and Optical Properties of Semiconductor Films with GeSiSn Nanoislands and Strained Layers, Nanoscale Research Letters 13 (2018) 65. [6] S. Assali, J. Nicolas, S. Mukherjee, A. Dijkstra, and O. Moutanabbir, Atomically uniform Sn-rich GeSn semiconductor with 3.0-3.5 µm room-temperature optical emission, App Phys Lett 112 (2018) 25903. [7] R. Wang et al., III-V-on-Silicon Photonic Integrated Circuits for Spectroscopic Sensing in the 2-4 µm Wavelength Range, Sensors 17 (2017) 1788.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. Тимофеев В.А., Машанов В.И., Никифоров А.И., А.К. Гутаковский, Гаврилова Т.А., Скворцов И.В., Гуляев Д.В., Фирсов Д.Д., Комков О.С. Epitaxial growth of peculiar GeSn and SiSn nanostructures using a Sn island array as a seed Applied Surface Science, 149572, 553,1-11 (год публикации - 2021).

2. Тимофеев В.А., Машанов В.И., Никифоров А.И., Лошкарев И.Д., Скворцов И.В., Гуляев Д.В., Корольков И.В., Коляда Д.В., Фирсов Д.Д., Комков О.С. Структурные и оптические свойства гибридного материала на основе оксидов олова и многослойных периодических структур с псевдоморфными слоями GeSiSn Известия высших учебных заведений. Физика, - (год публикации - 2021).