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 22-22-20057

НазваниеИсследование источников излучения в диапазоне 1,3 - 1,55 мкм на основе III-V наноструктур интегрированных в кремний

РуководительМоисеев Эдуард Ильмирович,

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаIII-V наноструктуры, интеграция III-V на кремний, In(As,P), излучение в ближнем ИК диапазоне

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На пороге цифровой трансформации в современном мире фотоника считается ключевой технологией, которая обеспечит новые интегрированные решения для квантовых вычислений, коммуникаций и сенсорных систем. Прогресс в этих областях формирует потребность в новых энергоэффективных интегрированных источниках излучения, которые требуют интеграции оптически активных III-V материалов с хорошо развитой кремниевой платформой. Данный проект направлен на развитие методов монолитной интеграции III-V с кремнием в направлении создания энергоэффективных и компактных наноструктур для лазерных и фотонных приложений. Для исследований в рамках проекта предлагается оригинальный набор методов, основанный на недавно разработанном нами подходе к селективному росту на основе расплава металла III группы для получения оптически активного III-V материала высокого кристаллического качества, «погруженного» в кремниевый волновод и, таким образом, снимающих текущие ограничения в конструкции интегрированных фотонных устройств. Проект сочетает в себе различные подходы из разных областей исследований: вычислительных методов для моделирования и оптимизации геометрии структуры, физики и химии эпитаксиальных процессов и постобработки, методов диагностики наноструктур, стремясь устранить разрыв между новыми достижениями в области синтеза наноструктур и их использованием в устройствах нового типа. Первая часть проекта посвящена синтезу наноструктур нового типа: наноразмерных вставок III-V полупроводников в мезах кремниевой подложки. Для этого недавно разработанный исполнителями проекта с коллегами метод эпитаксиального синтеза будет развит для роста III-V наноструктур тройного состава. В первый год выполнения проекта планируется создание In(As,P) наноструктур с длиной волны излучения в ближнем ИК диапазоне, включая окна прозрачности кремния в области 1,3 и 1,55 мкм. На второй год выполнения проекта планируется обобщения полученных для In(As,P) результатов на другие возможные III-V материалы. Вторая часть проекта посвящена комплексному исследованию оптических, спектральных и структурных свойств полученных гибридных III-V/Si наноструктур, включая диагностику методами люминесценции и микрофотолюминесценции (в том числе время-разрешенной), просвечивающей и растровой электронной микроскопии. На основе результатов систематических исследования свойств наноструктур с различной геометрией и составом, выполнение проекта предполагает поиск путей для управления длиной волны излучения и максимизации интенсивности. В течение второго года выполнения проекта будут исследованы возможности создания более сложных устройств на основе гибридных III-V/Si наноструктур: In(As,P) квантовых точек в InP вставках в Si подложку, III-V наноструктур встроенных в волноводную структуру или структуру фотонного кристалла. Таким образом, в ходе реализации проекта будет создан инструментарий новых методов для создания новых активных гибридных наноустройств, интегрированных с кремниевой платформой. Считается, что область применения таких устройств достаточно широка: от телекоммуникационных систем до компактных фотонных устройств и носимой электроники.

Ожидаемые результаты
Основным ожидаемым результатом будет создание нового типа монолитно интегрированных в кремний III-V наноструктур с излучением в ИК диапазонах длин волн, совместимых с телекоммуникационными и другими приложениями. На пути к основному результату в ходе поэтапного выполнение проекта будут разработаны следующие промежуточные результаты, обладающие каждый отдельной значимостью: - Оптимизированная процедура литографической подготовки Si подложек для получения различной геометрии III-V вставок в кремний. - Массивы III-V вставок в кремний, синтезированные в результате развития разработанного авторами проекта метода синтеза для различной геометрии и различных составов. - Модель процессов нуклеации и роста III-V вставок, позволяющая обобщить экспериментальные результаты на более широкий класс материалов. - Модели кремниевых фотонных структур с III-V вставками для определения их оптимальной геометрии. Будет проведено комплексное исследование оптических свойств полученных наноструктур нового типа и получены: - спектры микрофотолюминисценции в широком диапазоне температур (от 5 до 300 K) и мощности оптической накачки как массивов наноструктур, так и одиночных наноструктур в зависимости от ключевых параметров формирования наноструктур (геометрия вставок и их расположение, химических состав III-V активной области и других параметров эпитаксиальных режимов). Будет установлено соответствие морфологических свойств и оптических с помощью картирования методом конфокальной микрофотолюминесценции; - характеристики края поглощения в созданных наноструктурах с помощью спектроскопии поглощения/возбуждения люминесценции; - оценки состава твердого раствора, ширины запрещенной зоны с помощью оптических и структурных методов исследования. Будут определены достижимые границы спектрального диапазона, в котором реализуется излучение наноструктур. Установлены условия для получения излучения в диапазоне 1,55 мкм от III-V наноструктур интегрированных с кремниевой платформой. Будет установлен тип кристаллической структуры в синтезированных наноструктурах в результате исследований методом просвечивающей электронной микроскопии. Наноструктуры, создание которых подразумевает выполнение проекта, являются недостающим элементом для создания фотонных интегральных схем с интегрированными источниками света, в том числе для применений в коммуникационных системах и схемах для квантовых вычислений. Помимо этого, разработка метода синтеза светоизлучающих III-V наноструктур напрямую на кремнии (на гораздо более дешевых в сравнении с III-V или Ge подложками) с возможностью масштабирования на большие области, сравнимые с размером подложки, перспективно с точки зрения значительного снижения стоимости изготовления источников излучения заданной длины волны.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В работе исследованы наноструктуры InP/InAsxP1-x/InP с субмикронным поперечным размером, сформированные методом селективного роста на основе расплава, который позволяет выращивать нановключения In(As)P в кремнии с малым количеством дефектов за счет близких к равновесным термодинамическим условиям кристаллизации в одной капле. Была сформирована полупроводниковая гетероструктура регулируемого состава на кремнии с излучением при комнатной температуре в окне прозрачности Si от 1.2 до 1.55 мкм. Исследованы оптические свойства полученных структур в зависимости от параметров осаждения. Изменение условий синтеза позволяет регулировать длину волны излучения нановключений InP/InAsP/InP от 1200 до 1550 нм. Наблюдаемое изменение положения максимума фотолюминесценции в исследуемых наноструктурах связано с сильной зависимостью ширины запрещенной зоны от состава. Изменение концентрации мышьяка в InAsxP1-x в пределах массива составляет 3%. Показано, что предлагаемый метод позволяет для упорядоченного массива субмикронных излучателей ближнего ИК-диапазона получить высокое структурное и оптическое качество.

 

Публикации

1. Мельниченко И.А., Крыжановская Н.В., Бердников Ю.С., Моисеев Э.И., Махов И.С. OPTICAL STUDIES OF INP NANOSTRUCTURES MONOLITHICALLY INTEGRATED IN SI (100) St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, 15, 3.3 SPbOPEN2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18721/JPM.153.351

2. Мельниченко И.А., Моисеев Э.И., Крыжановская Н.В., Махов И.С., Надточий А.М., Калюжный Н.А., Кондратьев В.М., Жуков А.Е. Submicron-size emitters of the 1.2 - 1.55 µm spectral range based on InP/InAsP/InP nanostructures integrated into Si substrate MDPI, 12, 23, 4213 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12234213

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
С помощью методов конфокальной оптической микроскопии и спектроскопии микрофотолюминесценции (мкФЛ) исследованы нановключения InAsxP1-x/InP в кремнии, сформированные методом селективного роста на основе расплава, который позволяет выращивать нановключения In(As)P в кремнии с малым количеством дефектов за счет близких к равновесным термодинамическим условиям кристаллизации в одной капле. Установлено, что уменьшение расстояния между нановключениями с 800 до 400 нм приводит к снижению однородности заполнения нановключений и уменьшению количества материала, приходящегося на одиночные нановключения, что приводит к уменьшению интенсивности фотолюминесценции наноструктур. Около 85 % нановключений демонстрируют яркую люминесценцию при комнатной температуре. Положение максимума мкФЛ различных одиночных наноизлучателей находится в спектральном диапазоне 1180–1220 нм, что соответствует средней концентрации мышьяка в диапазоне от 28% до 31%. Повышение температуры образца от 77 К до 290 К приводит к снижению интенсивности мкФЛ примерно в 20 раз, что свидетельствует об умеренном уровне безызлучательной рекомбинации в эпитаксиальной структуре. Широкий пик люминесценции и поглощения наноструктур в широком спектральном диапазоне свидетельствуют, как мы полагаем, о неоднородности состава твердого раствора InAsxP1-x в одиночном нановключении. Для оценки возможности предростовой подготовки структур без использования глубокой ультрафиолетовой литографии методами микросферной фотолитографии и травления были сформированы массивы углублений на подложках кремния. Достигнутая высокая однородность сформированного массива углублений и высокое качество поверхности показывают, что метод микросферной фотолитографии может быть использован для предростовой подготовки подложек в качестве альтернативы использования глубокой ультрафиолетовой литографии. С целью практического использования сформированных в кремнии наноструктур проведено численное моделирование оптических свойств микролазеров на пластине кремний на изоляторе (КНИ). Показано, что наличие оптического контраста Si/SiO2 позволит формировать трехмерные микрорезонаторы с контролируемо размещаемыми в них нановставками А3В5. Управление расположением нановставок внутри резонатора, недостижимое в случае квантовых точек Странского-Крастанова, может быть использовано для управления диаграммой направленности микролазера, для управления величиной потерь и фактора перекрытия оптической моды с активной областью, а при использовании квантоворазмерной вставки – для создания источников одиночных фотонов.

 

Публикации

1. И.А. Мельниченко, С.Д. Комаров, А.С. Драгунова, А.А. Караборчев, Э.И. Моисеев, Н.В. Крыжановская, И.С. Махов, А.Е. Жуков Исследование оптических свойств нановключений InP/InAsP/InP в кремнии Письма в журнал технической физики, - (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
С целью практического использования такой селективный рост А3В5 наноизлучателей может выполняться на пластине кремний на изоляторе (КНИ). Наличие оптического контраста Si/SiO2 позволит формировать трехмерные микрорезонаторы с контролируемо размещаемыми в них нановставками А3В5. Управление расположением нановставок внутри резонатора, недостижимое в случае квантовых точек Странского-Крастанова, может быть использовано для управления диаграммой направленности микролазеров, величиной потерь и фактора перекрытия оптической моды с активной областью, а при использовании квантоворазмерной вставки – для создания источников одиночных фотонов. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы для создания сенсоров сверхвысокой чувствительности, высокоэффективных систем хранения и обработки данных, квантовых вычислений и искусственного интеллекта, а также в качестве модельных элементов фундаментальных исследований взаимодействия света с веществом.