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 19-72-30023

НазваниеФизико-химические основы создания функциональных полупроводниковых наносистем

РуководительЛатышев Александр Васильевич, Доктор физико-математических наук

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

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте запланировано продолжение работ по развитию технологий создания низкоразмерных систем на основе изучения фундаментальных физико-химических процессов на поверхности и в объёме полупроводниковых гетеросистем с использованием современных технологических, диагностических и вычислительных квантово-химических методов. Для создания новых материалов будут использованы передовые технологии создания материалов с контролируемой размерностью на основе молекулярно-лучевой эпитаксии в сочетании со способами наноструктурирования методами электронной литографии. Проведение фундаментальных и прикладных исследований будет базироваться на современных высокоразрешающих методах структурно-химического анализа, методиках низкотемпературных измерений электронных и оптических свойств, численных квантово-химических и ab initio расчетах, а также на моделировании методами молекулярной динамики. Среди диагностических методов in situ методы – сверхвысоковакуумная отражательная (СВВ ОЭМ) и высокоразрешающая электронная микроскопия (ВРЭМ) – являются наиболее адекватными для изучения элементарных процессов на поверхности и в объёме полупроводников. Численные квантово-химические, ab initio (DFT) расчеты и молекулярная динамика, предсказывающие изменения электронных, оптических и структурных свойств наносистем, будут неотъемлемой частью проекта. Комплексное применение современных экспериментальных и теоретических методов исследования процессов на поверхности и в объёме кристалла (атомных и электронных) позволит глубже понять физическую картину и механизмы структурно-химических трансформаций при создании принципиально новых материалов с новыми свойствами, что обеспечивает новизну и актуальность исследований. Работы будут проводиться по пяти направлениям, в рамках которых будут решаться следующие задачи: 1) Процессы на поверхности кристалла – анализ структурно-морфологических изменений и кинетики примесно-индуцированного массопереноса на поверхностях халькогенидов металлов и кремния при адсорбции примесных элементов; 2) Моделирование структуры поверхности кристаллов – определение атомной и электронной структуры поверхностей Si, Ge и Bi2Te3 с различной ориентацией, включая диффузионные процессы, на основе аb initio расчетов и молекулярной динамики; 3) Структурная диагностика гетеросистем, включая наносистемы – получение данных о структурно-химических особенностях многослойных гетеросистем для солнечных батарей и барьеров Шоттки, а также структуре дефектов (кластеров) в Si, введенных низкодозовой имплантацией и излучающих в диапазоне ~1.4-1.5мкм, перспективных для реализации монолитной Si фотоники; 4) Квантовый транспорт в низкоразмерных системах – изучение магнитополевой чувствительности нелокального сопротивления мезоскопических систем с искусственным графеном, низкотемпературного микроволнового фотоотклика Si нанотранзистора и короткого квантового точечного контакта в разных вариантах гетероструктур GaAs/Al(Ga)As; 5) Разработка технологий для оптики и фотоэлектроники – поиск материалов и разработка технологий на основе использования явления низкотемпературной твёрдотельной несмачиваемости с целью получения плотного массива компактных частиц с большим показателем преломления (теллур либо другой), обладающими широкополосными антиотражающими свойствами. Полученные результаты станут основой разработок новых технологий по созданию элементов наноэлектроники, спинтроники, Si фотоники и солнечной энергетики. Результаты по управлению морфологическими трансформациями поверхности кристалла Si при сублимации и разработке технологии создания уникальных атомно-гладких зеркал лягут в основу мелкосерийного изготовления отечественного оптического интерферометра-профилометра нового поколения с разрешением по высоте ~0.3 нм (совместно с Партнёрами Проекта).

Ожидаемые результаты
1) Процессы на поверхности кристалла С использованием метода in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ) будут экспериментально исследованы атомные процессы на поверхности Si в условиях электромиграции покрытий Sn и адсорбции покрытий Sb. Будет установлено влияние электромиграции доменов разупорядоченной фазы Sn на перераспределение атомных ступеней на поверхности Si. Будут впервые изучены закономерности морфологических трансформаций на поверхности Si с широкими атомно-гладкими террасами при формировании примесно-индуцированных реконструкций Sb. Будет определено влияние Sb как сурфактантного покрытия на процессы 2D зарождения и роста и переход к 3D росту Ge (GeSi) при его осаждении на широкие террасы Si. Результаты позволят понять влияние Sb на формировании экстремально широких (более 200 мкм) атомно-гладких террас, необходимых в качестве опорных зеркал и калибровочных тест-объектов для создания отечественного оптического профилометра нового поколения с разрешением по высоте ~0.3 нм, разрабатываемого в сотрудничестве с Партнёрами Проекта. На основе in situ СВВ ОЭМ экспериментов будет получена информация о структурно-морфологических трансформациях поверхности халькогенидов металлов (Bi2Te3, Bi2S3 или других, включая твердые растворы), связанных с сублимацией при повышенных температурах. Объективная информация о динамике процессов на поверхности слоистых материалов (в том числе топологических изоляторов) и эволюции морфологии в процессе сублимации принципиально важна для дальнейшего развития эпитаксии ван-дер-ваальсовых гетеросистем. Данные о трансформациях морфологии поверхности теллуридов металлов при отжиге в атмосфере селена и возможном перемешиванием верхних слоев в литературе отсутствуют. Исследования по данному направлению опережают мировой уровень ввиду использования уникального метода in situ отражательной электронной микроскопии, позволяющего в условиях сублимации и роста, не доступных другим методам микроскопии, визуализировать процессы на поверхности кристаллов на уровне атомных ступеней и поверхностных фаз. 2) Моделирование структуры поверхности кристаллов Теоретически, на основе расчетов из первых принципов, будет исследована диффузия атомов Ge по упруго напряженной и релаксированной поверхностям Ge(111) со структурами 5×5 и 7×7. Это позволит определить, почему изменение структуры поверхности не влияет на диффузию адатомов, а напряжение сжатия приводит к увеличению диффузионных барьеров. Решение этой задачи позволит глубже понимать атомные процессы, происходящие при росте тонких пленок Ge на поверхности Si(111), являющихся основой формирования различных наноструктур. Используя ab initio (DFT) расчеты, будет установлена атомная структура блока, входящего в состав сложных реконструкций поверхностей Si(110) и Ge(110), таких как 16×2, 5×8 и с(8×10). Будут определены зонные структуры этих поверхностей и локализация электронных состояний. В литературе имеется значительный пробел в понимании структуры и свойств этих поверхностей, в то время как поверхности (100) и (111) кремния и германия в значительной степени уже изучены. Поверхности Si(110) и Ge(110) обладают значительной анизотропией и могут служить подложкой для формирования наноструктур, которые нельзя сформировать на поверхностях (100) и (111). В рамках теории функционала плотности будут рассчитаны энергии перехода атомов в позиции замещения на поверхности халькогенида металла (Bi2Te3 или другого). Помимо этого, будут определены конфигурации с минимальной энергией в случаях, когда в расчетной ячейке число атомов в позициях замещения больше одного. Это позволит выявить возможность формирования сверхструктур, легирования или формирования твёрдого раствора на поверхности данного материала. Будет разработан комплекс методик, позволяющий интерпретировать результаты молекулярно-динамического моделирования диффузии в контексте макроскопических представлений о процессе поверхностной диффузии на поверхности Si. Предполагаемый результат имеет ключевое значение в понимании механизмов диффузии, а также в количественных оценках ее параметров. С помощью этих методик будут проведены расчеты параметров диффузии на поверхности полупроводников (Si и другого) в различных условиях. Мировой уровень предполагаемых результатов обеспечен большим опытом использования ab initio расчетов структуры поверхности кремния и селенидов металлов, а также перспективностью использования исследуемых поверхностей для создания функциональных наносистем. 3) Структурная диагностика гетеросистем, включая наносистемы Будут получены данные о кластерной структуре {113} дефектов в Si в условиях преимущественного взаимодействия дивакансий и междоузельных атомов и путях перехода в другие (предположительно дислокационные) конфигурации, как в условиях in situ ВРЭМ облучения Si электронами в сочетании с ab initio расчетами, так и при имплантации ионов (Xe+, Ge+). {113} дефекты, как известно, возникают в Si и Ge независимо от вида радиационного воздействия и обеспечивают люминесценцию в интервале 1.4-1.5 мкм, что предопределяет возможность ее использования для развития цифровых фотонных технологий на Si платформе. Для оптимизации излучения на определенной длине волны требуется понимание механизмов образования дефектов и способов управления их структурой при вариации дозы облучения. Работы по созданию светодиодов и одиночных источников фотонов на основе Si с использованием малых доз имплантации ведутся во всем мире и определенные успехи уже продемонстрированы [A. Fischer et al. APL Photonics 7, 050901 (2022); M. Hollenbach et al. Optic Express 28, 26111 (2020)]. Однако природа излучающих центров, связанных с кластеризацией точечных дефектов на ранних стадиях облучения, не определена из-за чрезвычайной сложности этих процессов, которую обнаруживает in situ ВРЭМ облучение Si. Авторы являются лидерами в области применения in situ ВРЭМ и ВЭМ облучения электронами для изучения процессов накопления радиационных повреждений в Si и Ge, которые позволили сформулировать концепцию универсальности плоскости {113} для совместной кластеризации вакансий и междоузельных атомов независимо от вида радиационного воздействия [L.I. Fedina et al. In: Advance in semiconductor nanostructures. ch. 16, pp.383-407, Elsevier (2017)]. Полученные результаты опережают мировой уровень работ в данной области. С помощью безаберрационной ВРЭМ с использованием электронного микроскопа Titan 80-300 cubed (FEI) будут получены новые данные об атомном строении пленок и границ раздела монослойных и многослойных нанокристаллов силицидов хрома и железа на поверхности и в объёме кремния для термо- и оптоэлектроники. Практический интерес представляют сверхрешетки с двумя типами нанокристаллов (β-FeSi2 и CrSi2) с разной шириной запрещенной зоны. Учитывая, что такие сверхрешётки с квантовыми точками совместимы с кремниевой планарной технологией, они потенциально могут быть использованы для создания охлаждающих элементов в кремниевых интегральных схемах, а также для создания и тестирования кремний-силицидных фотодиодных структур с расширенным спектром фоточувствительности для оптоэлектроники [N.G. Galkin, Approaches to growth of multilayer silicon – silicide heterostructures with semiconductor silicide nanocrystallites, Thin Solid Films 515 (2007) 8179 – 8188]. С помощью ВРЭМ и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) будут определены структурно-химические особенности полупроводниковых гетероструктур Mg2Si/black-Si/Si(111) и Mg2Ge/black-Ge/Ge(001). Синтез силицида магния на структурированной поверхности кремния в виде конусов (black-Si) увеличивает поглощение света почти до 90%, что открывает перспективы использования гетеросистемы Mg2Si/black-Si/Si для высокоэффективных солнечных батарей [A. Shevlyagin et al. Applied Surface Science. 602, 154321 (2022)]. С помощью ВРЭМ и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) будут получены новые данные о структурно-химических особенностях полупроводниковой гетероструктуры SiOx/metal/ quartz (glass). Эта гетеросистема интересна, в основном, с научной точки зрения из-за возможности реализации металл-индуцированной кристаллизации при сравнительно низких температурах (менее 500°С) [DriesVan Gestel. Solar Energy Materials and Solar Cells 119, 261 (2013)]. В результате такой кристаллизации структура SiOx/metal/ quartz (glass) трансформируется в структуру КНИ в виде metal/Si/ quartz (glass). Детальный механизм этого процесса до конца не изучен и является предметом исследований в рамках проекта. Многослойная гетероструктура Au/Pt/Ti/n-InAlAs будет детально изучена методами ВРЭМ, STEM и EDX, и будут получены новые кристаллохимические данные о слоях и границах раздела. Она представляет интерес для создания барьеров Шоттки, являющихся составным элементом микроволновых полевых транзисторов и быстродействующих фотодетекторов, в которых барьер Шоттки играет роль управляемого затвора [A.L. Chizh et al. Tech. Phys. Lett. 45, 739 (2019)]. Мировой уровень ожидаемых результатов обеспечивается большим опытом ведущих сотрудников данного направления (более 590 публикаций, индексируемых в Scopus), а также использованием передовых методов безаберрационной высокоразрешающей и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. 4) Квантовый транспорт в низкоразмерных системах Будет достигнуто понимание механизма работы мезоскопических систем с полупроводниковым искусственным графеном, а также кремниевого нанотранзистора и короткого квантового точечного контакта в разных вариантах гетероструктур GaAs/Al(Ga)As с двумерным электронным газом. Ожидаемые результаты являются логическим продолжением работ, выполненных в сотрудничестве с ведущими мировыми научными центрами, и соответствуют мировому уровню исследований. Гигантская чувствительность к внешним полям и к деталям формирования рассматриваемых наноструктур (по сравнению с известными прототипами и явлениями) определяют актуальность и новизну решаемых задач. Опубликование ожидаемых результатов поможет дальнейшему совершенствованию полупроводниковых нанотехнологий. Работа по данному направлению в рамках Проекта 2019 с ведущими научными центрами — Кавендишская лаборатория (Великобритания), Университет Нового Южного Уэльса (Австралия) — подтверждает мировой уровень ожидаемых результатов. 5) Разработка технологий для оптики и фотоэлектроники Будет разработана технология получения плотных массивов компактных частиц на основе теллура посредством использования явления твёрдотельной несмачиваемости при сравнительно низких температурах, а именно около 250°С. Будет установлен спектральный диапазон, в котором покрытия из таких диэлектрических частиц обладают сильными антиотражающими свойствами, перспективными для использования в качестве покрытий для оптоэлектронных преобразователей. Будет проведён поиск других материалов, у которых явление твёрдотельной несмачиваемости может происходить при невысоких температурах, и которые могли бы быть совместимы с технологией изготовления солнечных элементов. Предлагаемый подход является технологически перспективным ввиду простоты получения покрытий из диэлектрических частиц на больших площадях, что, в сочетании с эффективными антиотражающими свойствами, обеспечивает мировой уровень предполагаемых результатов. В целом ожидается, что результаты выполнения данного Проекта будут соответствовать мировому уровню исследований, поскольку он является логическим продолжением Проекта 2019, результаты которого опубликованы в высокорейтинговых зарубежных научных изданиях (Applied Surface Science, Physical Review B, Journal of Physical Chemistry C, Optical Materials, Scientific Reports, полный перечень приведён в п. 1.9 заявки).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ