Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Основной задачей данного проекта является развитие нового технологического подхода к созданию быстродействующих и высокоэффективных фотодетекторов ближнего и коротковолнового ИК-диапазонов (0,75 - 3,5 мкм) с заданной спектральной чувствительностью на основе гетероструктурированных нитевидных нанокристаллов (ННК) соединений In(As,P) и углеродных наноструктур на кремнии. Отличительной особенностью ННК является высокое аспектное соотношение высоты ННК к их диаметру, однородная вертикальная ориентация ННК в эпитаксиальном массиве, а также возможность пространственного упорядочения ННК на поверхности подложки. При этом релаксация упругих напряжений на развитой свободной поверхности ННК, позволяет формировать решеточно-рассогласованные гетеропереходы в аксиальной и радиальной геометрии. К размерным эффектам, обусловленным морфологией ННК, также относится резонансная локализация электромагнитного поля оптического и ИК-диапазонов. Эффекты локализации и резонансного усиления электромагнитного поля в ННК позволяют уменьшить объем активной области фотодетектора, а значит и понизить темновой ток, повысить чувствительность прибора. Особый интерес для ИК-оптоэлектроники представляет исследование гибридных структур на основе эпитаксиальных массивов гетероструктурированных In(As,P) ННК на оксидированных подложках Si и углеродных наноструктур: углеродных нанотрубок (УНТ) и графена. Выбор узкозонного (0.35 эВ) полупроводникового материала InAs обусловлен относительно высокой подвижностью носителей заряда 10,000 см^2/В·с и большим временем жизни неосновных ноболее чем на порядок сителей, что позволяет использовать InAs и InAsP для создания фотоприемников, работающих в коротковолновом ИК-диапазоне (1-3.5 мкм). Использование буферного слоя на основе двумерного материала - монослоя графена, перенесенного на Si подложку, решает проблему монолитной интеграции соединений A3B5 и Si. Такой подход позволяет достичь высокого структурного совершенства ННК, несмотря на решеточное рассогласование, путем реализации псевдо-Ван-дер-Ваальсовского (ВдВ) механизма гетероэпитаксии в отсутствии сильных ковалентных или ионных химических связей на гетерогранице. Кроме того, листы графена, перенесенные на подложку SiOx/Si, могут быть структурированы фотолитографическими методами. При этом слой термического окисла SiOx выступает в качестве ростовой маски, а мезы графена служат центрами селективного зарождения ННК. Такое структурирование подложек обеспечивает селективную эпитаксию и получение упорядоченных массивов НН для приборных применений. В ходе реализации первого годы проекта изучены особенности процессов формирования гетеропереходов аксиальной и радиальной (ядро-оболочка) геометрии в самоиндуцированных In(As,P) ННК на Si(111). Определено влияние ростовых условий на кристаллическую структуру, композиционный состав и морфологию гетероструктурированных ННК In(As,P). Установлены условия формирования гетеропереходов аксиальной и радиальной (ядро-оболочка) геометрии в ННК InAs/InP. Определены взаимосвязи между морфологией, композиционным составом и кристаллической структурой гетероструктурированных ННК и их зонной структурой, и оптическими свойствами: особенностями процессов фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света. Показано, что синтезированные наноструктуры характеризуются доминирование вюрцитной фазы, при этом в соответствии с положением основной линии ФЛ наблюдается присутствие политипов структуры. Наличие InP оболочки приводит к сдвигу линии ФЛ на порядка 5-10 мэВ, что объясняется возникновением механических напряжений в системе, вызванных рассогласованием параметров кристаллических решеток материалов ядра и оболочки. Наличие механических напряжений подтверждается данными ТЭМ, а также сдвигом ТО-моды в спектрах КРС. Методами численного моделирования выявлено влияние эффектов резонансной локализации оптического поля на процессы оптического поглощения в массивах ННК In(As,P) на Si. Показано, что поверхность Si подложки, покрытой на 15% по площади массивом InAs(P) ННК поглощает до 90% падающего ИК излучения. Определена оптимальная, с точки зрения достижения максимальной чувствительности в спектральном диапазоне 0,75 - 3,5 мкм, расчётная конструкция ИК-фотодетекторов на основе гетероструктурированных ННК In(As,P) на Si. Обнаружительная способность фотодетектора на основе InAs0,53P0,47 ННК имеет максимальные значения, превышающие более чем на порядок аналогичные для приборных структур на основе InAs ННК. Оптимальная длина ННК лежит в диапазоне (1,8-2,6) мкм. Полученные значения хорошо соответствуют обнаружительной способности лучших фотоприемников на основе планарных структур InGaAs (имеющих несколько меньшее значение концентрации собственных носителей по сравнению с InAsP). Разработаны методы переноса и обработки слоев графена, на поверхности SiOx/Si(111), позволяющие получить виртуальные подложки графен-на-кремнии с гладкими монослоями графена, площадью более 2 см^2. Для переноса слоев графена использованы коммерческие медные фольги со слоями графена, выращенными методом газофазного осаждения. Для переноса графена использованы поддерживающие слои из ПММА. Развиты методы структурирования слоев графена, в том числе с применением технологии бесшаблонной микросферной фотолитографии, позволяющие добиться формирования на SiOx/Si подложке пространственно-упорядоченных массивов островков (мез) графена с латеральным размером от 400 нм до 10 мкм. Продемонстрировано масштабирование метода микросферной фотолитографии для подложек Si диаметром 75 мм. Метод лазерной литографии обеспечивает формирование мез графена заданной геометрии, в то время как подход микросферной литографии позволяет структурировать слои большой площади. Можно ожидать, что гибридные псевдо-Ван-дер-Ваальсовские гетероструктуры, совмещающие в себе прямозонные полупроводники InAsP, углеродные наноструктуры и наиболее широко применяемый материал ИК-оптики - кремний, могут существенно расширить функциональные возможности существующих технологий, в том числе, служить основой для создания мультиспектральных ИК-радиометров и тепловизоров, а улучшение шумовых характеристики и быстродействия востребовано в современных системах телекоммуникаций.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Использование буферных слоев на основе двумерных материалов, вследствие отсутствия сильных ковалентных или ионных химических связей на гетерогранице, может способствовать снижению упругих механических напряжений и, как следствие, плотности структурных дефектов при эпитаксиальном формировании решеточно-рассогласованных гетероструктур. В ходе выполнения задач проекта было показано, что ориентация решетки формирующего материала может определяется не только кристаллической структурой слоя двумерного материала (Ван-дер-Ваальсова (ВдВ) эпитаксия), но и структурой, и морфологией поверхности, на которую переносятся монослои (МС) ВдВ-материала (псевдо-ВдВ эпитаксия). Для этого в проекте были выполнены исследования процессов формирования и механизмов эпитаксиальной ориентации нитевидных нанокристаллов (ННК), формирующихся на поверхности буферных слоев монослоев графена, перенесённых на аморфную (SiOx/Si) и кристаллическую (CaF2 на Si(111)) поверхности. Для формирования буферных cлоев CaF2 и гетероструктурированных ННК InAs/InAs(1-x)P(x) применялся метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). В ходе проведенных ростовых экспериментов установлено, что эпитаксиальное формирование ННК InAs по самоиндуцированному механизму на поверхности графена может наблюдаться в диапазоне ростовых условий идентичном необходимому для формирования ННК на Si(111). Преимущественное направление роста InAs ННК оказывается нормально-ориентированным относительно поверхности виртуальных подложек графен/SiOx/Si(001), графен/SiOx/Si(111) и графен/CaF2/Si. Установлено, что при выбранных ростовых условиях кристаллизация осаждаемого материала наблюдается как на поверхности графена, так и на поверхности SiOx или CaF2. Однако, преимущественное формирование ННК наблюдается только на поверхности перенесенных слоев графена. На поверхности же термического окисла, как и на поверхности CaF2, независимо от метода его подготовки, формируется сплошной слой с низким структурным совершенством, образованный случайно ориентированными кристаллитами, а зарождения ННК InAs практически не наблюдается. Обнаружен эффект эпитаксиальной ориентации ННК InAs, формирующихся на поверхности монослоев графена, перенесенных из жидкости на поверхность буферных слоев CaF2/Si(111). При этом, в массиве ННК наблюдаются две взаимно ортогональных ориентации определяемых кристаллической структурой слоя CaF2, а не доменной структурой слоя графена. По всей площади виртуальной подложки направление решетки wz-InAs [1-100] ориентируется параллельно кристаллографическим направлениям CaF_2 типа <11-2> или <1-10> с точностью до +-5°. Наиболее ярко эффект проявляется для высокотемпературных слоев CaF2, обладающих атомно-гладкой поверхностью и высоким структурным совершенством. Наиболее вероятно, что нижележащий слой CaF2 оказывает влияние на ориентацию зарождающихся ННК за счет слабого ВдВ взаимодействия, оказываемого через 1 МС ВдВ-материала. Использование буферного слоя на основе двумерного ВдВ-материала допускает полную релаксацию упругих напряжений без образования структурных дефектов, что позволяет рассчитывать на улучшение приборных характеристик. Проведенное сравнительное исследование процессов формирования ННК позволило получить новые данные о факторах определяющих механизмы квази-Ван-дер-Ваальсовой эпитаксии и селективного формирования массивов полупроводниковых наноструктур. Решение задачи формирования гетероструктур типа ядро-оболочка InAs/InAs(1-x)P(x) на основе ННК является ключевой для создания функциональных устройств на их основе. Создание широкозонной оболочки InAs(1-x)P(x) обеспечивает пассивацию поверхностных состояний InAs, а также расширяет возможности конструирования зонного профиля наногетероструктур. Для успешного решения данной задачи была выполнена оценка критической толщины когерентного роста оболочки InP в системе InAs-InP с большим решеточным рассогласованием. Для этого в проекте была выращена серия массивов ННК с гетеропереходом InAs/InP в геометрии ядро-оболочка с отличной толщиной оболочки InP. Структурные свойства ННК исследовались методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), электронной микродифракции и рентгеновской дифракции. Из полученных ПЭМ данных следует, что межплоскостное расстояние в направлении [0001] решеток InAs ядра и InP оболочки равны. Таким образом установлено, для толщин оболочки до 15-20 нм на боковых гранях ННК InAs возможен псевдоморфный рост InP. Для создания прототипа ИК-фотодиода в проекте были выращены наногетероструктуры на основе ННК, состоящих из 3-ёх сегментов n-InAsP/i-InAs/p-InAs с гетеропереходами в смешанной “аксиально-радиальной” геометрии. В ходе проведенных ростовых экспериментов было установлено, что добавление потока легирующей примеси на начальном этапе роста ННК может препятствовать зарождению ННК. По этой причине поток легирующей примеси Be при формировании гетероструктурированных ННК добавлялся на 3-ей минуте формирования ННК. В ходе второго проекта также были проведены исследования процессов эпитаксиальной стабилизации азотсодержащих твердых растворов InAsN в виде самоиндуцированных ННК, формирующихся на SiOх/Si(111) подложках. Для эпитаксиального выращивания азотсодержащих твердых растворов применялся молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота (МПЭ-ПА). В качестве источника азота в активной форме (атомарный азот, молекулярный и атомарный азот в возбужденном состоянии) использовался источник с радиочастотной (РЧ) плазменной активацией (Riber VRF-N 600 RF, f=13.56 МГц). Были проведены исследования по формированию гетероструктур InAs/InAsN ННК как с аксиальной, так и радиальной (ядро-оболочка) геометрией гетероперехода. Были проведены исследования процессов формирования упорядоченных массивов ННК InAs ННК, формирующихся по самоиндуцированному механизму на поверхности структурированных и виртуальных подложек графен/CaF2/кремний. В качестве контрольного эксперимента при аналогичных ростовых условиях также были синтезированы упорядоченные массивы ННК на структурированных подложках SiOx/Si(111). Установлено, что ННК, выращенные на структурированных подложках, демонстрируют более высокие скорости аксиального и радиального роста, что можно объяснить подавлением зарождения островков на поверхности ростовой маски, на формирование которых уходит часть осаждаемого материала. В итоге увеличивается число атомов III- и V-группы, попадающих на поверхность ННК вследствие переотражения от поверхности ростовой маски. Также показано, что вследствие более быстрого процесса зарождения и пространственного упорядочения центров зарождения ННК при оптимальных условиях селективной эпитаксии дисперсия длин и диаметров ННК снижается до 10%. Основываясь на результатах полученных данных синтезированы упорядоченные массивы pin-гетероструктур на основе ННК InAs/InAsP. В работе также показано, что в спектрах отражения от упорядоченных эпитаксиальных массивов ННК In(As,N) наблюдаются минимумы и максимумы, что соответствует резонансной локализации падающего оптического поля ИК-диапазона в ННК. Данных особенностей не проявляется в аналогичных спектрах самоупорядоченных массивов. В заключительной части отчета представлены результаты численного расчета конструкции ИК-фотодетекторов на основе InAsP(N) ННК на виртуальных подложках графена. Так, оптические поглощения массива на виртуальной подложке графена не изменяется. При этом особенностей транспорта носителей в ВдВ-гетероструктурах существенным образом влияет на зонную диаграмму рассматриваемых фотодетекторных структур. Для системы InAs(P,N) на графене необходимым условием эффективной работы является формирование дополнительной широкозонной эмиттерной оболочки для предотвращения возникновения сквозного тока.