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 19-79-10240

НазваниеОптико-терагерцовые фотопроводящие преобразователи коротких импульсов лазерного излучения (1.03-1.56 мкм) на основе сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs для создания компактных систем спектроскопии и визуализации

РуководительПономарев Дмитрий Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Прежний руководитель Хабибуллин Рустам Анварович, дата замены: 31.07.2023

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые словасверхрешеточные гетероструктуры InGaAs/InAlAs; зонная диаграмма полупроводников; молекулярно-пучковая эпитаксия; фотопроводники; терагерцовые технологии; терагерцовая импульсная спектроскопия; биомедицинские приложения терагерцовой науки и техники; плазмонные фотопроводящие антенны; плазмонная решетка; оптико-терагерцовая конверсия; моделирование методом конечных элементов.

Код ГРНТИ29.03.31, 76.29.49

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Компактные и недорогие спектрометры и системы построения изображений в терагерцовом (ТГц) диапазоне частоты на основе оптико-ТГц фотопроводящих преобразователей (ОТП) активно развиваются и находят широкое применение при решении фундаментальных и прикладных задач. В значительной степени высокая активность исследований в данном направлении связана с надежностью ОТП, малыми габаритами, легкой масштабируемостью единичного элемента до 1D и 2D-массива, возможностью без охлаждения обеспечить широкую рабочую полосу системы и большой динамический диапазон принимаемых сигналов. В рамках выполнения Проекта 2022 работы проводятся по трем взаимосвязанным направлениям исследований. НАПРАВЛЕНИЕ 1. Фотопроводники на основе полностью напряженных сверхрешеточных гетероструктур (СР) InGaAs/InAlAs позволяют осуществлять инжиниринг оптических и электрических свойств путем вариации состава и толщины слоев. Для повышения эффективности лазерного возбуждения СР мы предлагаем согласовать составы материалов барьерных слоев и квантовой ямы по ширине запрещенной зоны - чтобы поглощение излучения происходило по всему объему СР. При этом квантовые ямы сформируются за счет наличия разрывов по энергии между границами валентных зон и между границами зон проводимости в образующих СР слоях InGaAs и InAlAs, а сами слои окажутся полностью упруго напряженными. Упругие напряжения приведут к уменьшению времени жизни носителей заряда, а значит, уменьшится величина темнового тока – снизятся мощность шума ОТП-приемников и нежелательный нагрев ОТП-источников на основе таких материалов. В силу планарной топологии электродов ОТП, дрейф фотовозбужденных носителей заряда происходит преимущественно вдоль слоев СР. Однако, чтобы достичь контактов, расположенных на поверхности фотопроводящего слоя, вблизи них носители должны двигаться поперек структуры. По этой причине мы предлагаем оптимизировать толщины слоев с точки зрения повышения туннельной прозрачности. НАПРАВЛЕНИЕ 2. В качестве подложек для формирования фотопроводящих слоев ОТП чаще всего используются пластины GaAs (с толщинами 0,3-0,5 мм), для которых характерно поглощение электромагнитных волн в полосе частот 5-10 ТГц из-за возбуждения оптических фононов. Для расширения рабочей полосы спектрометров во временной области (TDS) мы предлагаем альтернативный подход: снизить ТГц поглощение в подложке ОТП путем оптического возбуждения InGaAs - содержащих фотопроводящих слоев через подложку (то есть использовать тот факт, что GaAs не поглощает лазерное излучение с длиной волны >1 мкм). НАПРАВЛЕНИЕ 3. В TDS системах для регистрации волновой формы импульсов ТГц излучения обычно применяются механические линии задержки разной конструкции, или (в редких случаях) сложные схемы с двумя синхронизированными по времени импульсными лазерами. Мы предлагаем исследовать еще одну возможность – выполнять «параллельную регистрацию» волновой формы с помощью линейного многоэлементного приемника с особой схемой оптического возбуждения, в которой соседние элементы одномерного массива ОТП-приемников будут возбуждаться импульсами с индивидуальной задержкой. Путем математического моделирования мы сравним разные методы создания постоянной задержки во времени между соседними приемниками – с помощью клина, разных порядков дифракции на решетке/голограмме, многолучевой интерференции в тонкой пластинке. Обеспечивая преимущество в скорости, данный подход будет проигрывать традиционному в ширине спектра/частотном разрешении, но при этом может быть легко интегрирован в системы визуализации, где спектральная информация не является доминирующей.

Ожидаемые результаты
НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА: В результате выполнения Проекта 2022 будут получены следующие основные научные и технические результаты: 1. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии будут изготовлены образцы полностью напряженных и референсных решеточно-согласованных фотопроводящих сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs на подложках из полуизолирующего GaAs (100) с оптимизированными толщинами и составами слоев; 2. Будут изготовлены образцы оптико-ТГц фотопроводящих преобразователей (ОТП) – источников и приемников импульсного ТГц излучения на основе выращенных образцов сверхрешеточных гетероструктур с оригинальной технологией «меза-изоляции» для исключения протекания тока через не освещаемую область полупроводника; 3. Будут экспериментально измерены ширина полосы и динамический диапазон ТГц сигнала, которую обеспечивают образцы ОТП, работающие в качестве источника или/и приемника при лазерном возбуждении через подложку GaAs в составе спектрометров во временной области (TDS). За счет снижения поглощения ТГц излучения на оптических фононах в подложке GaAs, мы ожидаем достижения ширины полосы более 6 ТГц при динамическом диапазоне не менее 65 дБ; 4. По результатам комплексного математического моделирования образцов ОТП-приемников с плазмонными решетками с размером от 5х5 кв. мкм до 5х100 кв. мкм будут выбраны оптимальные, с точки зрения электромагнитной связи с ТГц излучением, геометрические параметры решеток в образцах единичных (то есть одноэлементных) ОТП и возможные конструкции одномерных массивов ОТП с решетками. С целью расширения полосы принимаемого ТГц излучения будет рассмотрен случай лазерного возбуждения через подложку GaAs. С целью анализа возможности работы в составе линейного многоэлементного приемника будет рассмотрен случай традиционного лазерного возбуждения с разным углом падения излучения на решетку. Мы ожидаем, что использование плазмонных решеток также ослабит зависимость чувствительности приемника от мощности лазерного возбуждения; 5. На основе результатов математического моделирования пространственных и временных характеристик световых пучков при различных методах их формирования (с помощью клина, многолучевой интерференции в тонкой пластинке, дифракционной решетки/синтезированной голограммы) будут выбраны оптимальные геометрические параметры одномерного массива ОТП-приемников для параллельной регистрации. При размере линейного многоэлементного приемника ~ 10 мм максимальная создаваемая задержка составит ~20 пс. Ожидается, что достижимое разрешение по частоте может составить до 100 ГГц при полосе ~ 1 ТГц. За счет введения в лазерное излучение перед разделением на пучки дополнительной задержки (т.е. создания постоянного сдвига во времени относительно ОТП-источника), частотные параметры линейного многоэлементного ОТП-приемника могут быть улучшены; 6. Путем математического моделирование будут выбраны параметры цилиндрических линз для улучшения электромагнитной связи пучка ТГц излучения с 3-10 элементным одномерным массивом ОТП-приемников (размеры массива ~ 0,1х1,0 кв.мм - 0,1х10 кв.мм) для параллельной регистрации волновой формы ТГц импульсов; 7. Путем математического моделирование будут определены физические механизмы (каналы) влияния мощности оптического возбуждения элементов одномерного массива ОТП-приемников на регистрируемую волновую форму ТГц сигнала; будут предложены возможные способы ослабления данного влияния; 8. Будут изготовлены образцы единичных ОТП-приемников с плазмонными решетками и (для проработки технологии) одномерные массивы ОТП-приемников без плазмонных решеток на основе выращенных образцов фотопроводников; 9. С помощью ОТП-приемника малого размера будет получен массив экспериментальных данных о волновых формах ТГц импульсов в разных точках волнового фронта ТГц излучения, который необходим для верификации математической модели электромагнитной связи детектора с излучением; 10. Будут измерены фототоки для образцов ОТП-приемников с плазмонными решетками при разном угле падения лазерного излучения на решетку и c разной средней мощностью излучения – как при традиционном возбуждении, так и при возбуждении через подложку GaAs; 11. Будут предложены возможные методы математической постобработки сигналов с целью уменьшения искажений волновой формы ТГц импульсов при их параллельном приеме; 12. Будет проведено обобщение экспериментальных данных для ОТП-приемников с традиционной топологией и с плазмонными решетками с целью определения перспективности их использования в составе одномерных массивов ОТП-приемников. НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И МАСШТАБНОСТЬ ЗАДАЧ: В Проекте 2022 предлагается использовать комплекс взаимосвязанных задач, имеющих общую цель совершенствования систем ТГц спектроскопии и визуализации на основе образцов ОТП путем применения новых материалов, технических решений и физических подходов. Масштабность задач проекта определяется широким спектром исследований: от математического моделирования свойств полностью напряженных полупроводниковых гетероструктур (с последующим их эпитаксиальным выращиванием), мультифизического моделирования единичных и многоэлементных образцов ОТП на их основе (с их изготовлением и проведением ТГц измерений), до создания новых теоретических и экспериментальных подходов по расширению рабочей полосы импульсных ТГц спектрометров во временной области. Важно отметить, что по нашим данным в России подобные исследования еще не проводились, а в мире схожими задачами занимаются только несколько научных групп под руководством Prof. M. Jarrahi (США), Prof. M. Skorobogatiy (Канада), Prof. M. Helm (Германия), Prof. T. Otsuji (Япония), Prof. S. Preu (Германия). С некоторыми из указанных профессоров у научной группы налажено тесное сотрудничество. Также, учитывая плотную кооперацию с ведущими медико-биологическими Центрами в России в ходе выполнения Проекта 2019 – в частности, с Первым МГМУ им. И.М. Сеченова (группа академика РАН. И.В. Решетова и группа д.ф.-м.н. П.С. Тимашева) и СГУ им. Н.Э. Чернышевского (группа чл.-корр. РАН В.В. Тучина), создание в Проекте 2022 компонентной базы для систем построения изображений в ТГц диапазоне нового поколения стимулировано непосредственным практическим интересом в их использовании для нужд персонализированной медицины и биофотоники. Также важно отметить заинтересованность со стороны НТЦ АО «МРТИ РАН» и ОАО «НПК «НИИИДАР» в разрабатываемых в проекте образцах ОТП - для создания полностью отечественных активных систем получения радио изображений (визуализации) в диапазоне частот 0.3-0.7 ТГц. ПРЕДПОСЫЛКИ УСПЕШНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА: Для успешного выполнения задач проекта будет сформирован междисциплинарный коллектив исполнителей, который включает квалифицированных специалистов разного профиля: - инженеров и математиков с опытом моделирования свойств полупроводников, источников и детекторов ТГц диапазона частот, распространения электромагнитных волн и взаимодействия излучения с веществом; - экспериментаторов с опытом создания уникальных спектроскопических и изображающих систем ТГц диапазона частот; - специалистов в области полупроводниковой эпитаксии и электронно-лучевой литографии; - технологов полупроводникового производства. Руководитель проекта и члены научной группы имеют достаточный для решения поставленных задач опыт научно-исследовательской деятельности в указанных областях. Коллектив имеет опыт совместного опубликования научных статей в высокорейтинговых изданиях, в том числе, входящих в перечень Q1 по Web of Science/JCR, а также опыт представления результатов исследований на ведущих международных и отечественных конференциях. Результаты Проекта 2022 обладают практической и фундаментальной значимостью и соответствуют самым современным мировым стандартам исследований в рассматриваемой области знаний. Результаты будут опубликованы в ведущих научных журналах, представлены на международных научных мероприятиях и найдут отражение в квалификационных работах молодых исполнителей (кандидатских и докторских диссертациях).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---