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 20-79-10092

НазваниеРазработка фотонных кристаллов на основе наноструктур GeSiSn с элементами плазмоники

РуководительТимофеев Вячеслав Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2023 - 06.2025

Конкурс Конкурс 2023 года 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 (50).

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
Проект направлен на создание новых материалов на основе Ge-Si-Sn, совмещенных с искусственными электромагнитными средами, с уникальными электронными и фотонными зонными структурами. Достижение научных результатов планируется методами современной нанофотоники с разработкой структурированных электромагнитных метаматериалов, сопряженных с многослойными структурами и сверхрешетками с гетеропереходами GeSiSn/Si(Ge), а также наногетероструктурами с квантовыми точками GeSiSn. Предыдущие исследования в рамках проекта были посвящены двумерным фотонным кристаллам и мультирезонансным плазмонным структурам. Было показано усиление сигнала фотолюминесценции от множественных квантовых ям GeSiSn/Si, встроенных в фотонно-кристаллическую структуру, почти на порядок вблизи длины волны 1.8 мкм. На основе множественных квантовых ям GeSiSn/Si с фотонно-кристаллическим слоем была получена серия p-i-n фотодиодов, демонстрирующих увеличение фототока в несколько раз на длинах волн, соответствующих квазиволноводным модам. Длинноволновая граница чувствительности изменялась в диапазоне от 1.4 до 2.25 мкм в зависимости от состава квантовой ямы GeSiSn. Дальнейшее увеличение рабочей длины волны будет достигаться получением высококачественных структур с повышенным содержанием олова. Другим перспективным подходом расширения рабочего диапазона является создание многослойных структур с квантовыми точками GeSiSn и систем с квантовыми точками поверх квантовых ям. На основе таких наногетероструктур будут разработаны фотонно-кристаллические структуры с микрорезонаторами, а также метаматериалы, представленные массивом Ми-резонаторов, и гибридные металлодиэлектрические системы для увеличения эффективности фотоприемных и светоизлучающих структур. Впервые будут созданы структурированные метаматериалы, совмещенные с гетероструктурами GeSiSn/Si(Ge), обладающие уникальными резонансными и необычными дисперсионными свойствами, которые позволят эффективно локализовывать электромагнитное поле в активной области, многократно увеличивать его интенсивность и получать богатую модовую структуру. Благодаря новому классу материалов на основе соединений GeSiSn будет расширен рабочий спектральный диапазон устройств нанофотоники, в том числе элементов интегральной фотоники, систем полностью оптической обработки информации и волоконно-оптических линий связи нового поколения на длине волны 2 мкм и более.

Ожидаемые результаты
Класс материалов Ge-Si-Sn позволяет регулировать рабочую длину волны устройств нанофотоники в диапазоне от 1.55 мкм вплоть до 8 мкм [1-3]. Несмотря на то, что в настоящее время ведутся разработки эффективных фотонных устройств, использующих соединения GeSiSn, в них чаще всего используют толстые слои, осажденные на виртуальную подложку Ge [4, 5]. Такие структуры содержат большое количество дислокаций. Мы отработали технологию роста наногетероструктур с упругонапряженными бездислокационными слоями GeSiSn. Для достижения характеристик устройств, удовлетворяющих современным требованиям, необходимо создание новых подходов и технологий, которые повысят эффективность взаимодействия света с веществом. На сегодняшний день ведется поиск подходов и методов получения высококачественных материалов Ge-Si-Sn с управляемыми электронными и фотонными свойствами. На основе элементов IV группы (Ge, Si, Sn) будут впервые созданы новые материалы, совмещенные с искусственными электромагнитными средами с уникальными электронными и фотонными зонными структурами. Будут установлены закономерности формирования многослойных структур и сверхрешеток с гетеропереходами GeSiSn/Si(Ge), массивов квантовых точек GeSiSn, а также систем с квантовыми точками поверх квантовой ямы, разного состава и профиля энергетической диаграммы. Такие наногетероструктуры будут встроены в активную область электромагнитных метаматериалов для усиления фотоотклика и светоизлучения. В качестве усиливающих структур будут разработаны и реализованы фотонно-кристаллические структуры с микрорезонаторами, а также метаматериалы, представленные массивом Ми-резонаторов, и гибридные металлодиэлектрические системы. В результате выполнения проекта будут созданы эффективные светоизлучающие и фотоприемные устройства ближнего и среднего инфракрасного диапазона на основе p-i-n диодов, содержащих метаматериалы со встроенными гетероструктурами GeSiSn/Si(Ge). Разработка фотонных устройств на основе материалов Ge-Si-Sn, совместимых с кремниевой технологией, открывает возможности применений этих приборов в таких направлениях отечественной электронной промышленности как интегральная фотоника, системы оптической обработки информации, волоконно-оптические линии связи нового поколения, сенсорика (газовые и биологические сенсоры), биомедицинская диагностика и дистанционное зондирование, а также тепловидение. [1] C. Chang, H. Li, C.-T. Ku, S.-G. Yang, H. H. Cheng, J. Hendrickson, R. A. Soref, G. Sun, Ge0.975Sn0.025 320 × 256 imager chip for 1.6-1.9 μm infrared vision, Applied Optics 55 (36) (2016) 10170–10173. [2] M. R. M. Atalla, S. Assali, A. Attiaoui, C. Lemieux-Leduc, A. Kumar, S. Abdi, O. Moutanabbir, All-Group IV Transferable Membrane Mid-Infrared Photodetectors, Advanced Functional Materials 31 (3) (2020) 2006329. [3] C. Xu, D. Ringwala, D. Wang, L. Liu, C. D. Poweleit, S. L. Y. Chang, H. L. Zhuang, J. Menendez, J. Kouvetakis, Synthesis and Fundamental Studies of Si-Compatible (Si)GeSn and GeSn Mid-IR Systems with Ultrahigh Sn Contents, Chemistry of Materials 31 (2019) 9831–9842. [4] R. Douhan, K. Lozovoy, A. Kokhanenko, H. Deeb, V. Dirko and K. Khomyakova, Recent Advances in Si-Compatible Nanostructured Photodetectors, Technologies 11(1) (2023) 17. [5] D. Grützmacher, O. Concepción, Q.‑T. Zhao, D. Buca, Si–Ge–Sn alloys grown by chemical vapour deposition: a versatile material for photonics, electronics, and thermoelectrics, Applied Physics A 129 (2023) 235.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---