Интегральные устройства нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов

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 проекта 20-79-10322

НазваниеИнтегральные устройства нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов

Руководитель Лазаренко Петр Иванович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Нанофотоника, интегральные волноводы, энергонезависимые оптические устройства, управление оптическим сигналом, оптические межсоединения, фазовая память, фазовые переходы, тонкие пленки, оптические свойства, халькогенидные полупроводники, Ge-Sb-Te

Код ГРНТИ29.33.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен применению перспективных функциональных материалов на основе халькогенидных полупроводниковых соединений в энергонезависимых интегральных элементах нанофотоники для обеспечения возможности изменения параметров оптического сигнала. Халькогенидные полупроводниковые соединения, в частности материал Ge2Sb2Te5 и тонкие пленки на его основе, являются объектами интенсивных исследований и разработок в течение последнего десятилетия. Благодаря существенному изменению оптических и электрических свойств при фазовых превращениях между аморфным и кристаллическим состояниями, инициированных низкоэнергетическими импульсами тока или лазерного излучения, тонкие пленки Ge2Sb2Te5 уже нашли коммерческое применение в оптических дисках (DVD-RW, Blu-Ray) и электрической фазовой памяти с произвольным доступом (PCM, 3D X-Point). При этом большая величина оптического контраста и возможность формирования множества логических состояний за счет создания областей с различной степенью кристаллизации делает тонкие пленки Ge2Sb2Te5 перспективными для управления параметрами оптического сигнала в интегрально-оптических элементах нанофотоники. Однако первые экспериментальные образцы элементов, создаваемые в настоящий момент на основе тонких пленок Ge2Sb2Te5, обладают неоптимальными характеристиками, в частности высокими оптическими потерями, низким соотношением сигнал-шум, значительным энергопотреблением, а также низкой стабильностью. Для дальнейшего развития данного направления необходимо разработать подходы, которые позволят улучшить характеристики элементов нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов. В рамках проекта в качестве такого подхода предлагается использовать изменение химического состава функциональных тонких пленок Ge2Sb2Te5, представляющих собой чередующиеся с определенной последовательностью блоки GeTe и Sb2Te3. Изменение соотношения данных блоков, т.е. изменение химического состава по линии квазибанарного разреза GeTe-Sb2Te3, позволит варьировать оптические свойства, скорость и температуру кристаллизации, стабильность аморфного состояния при комнатной температуре и вероятность спонтанной кристаллизации, и, таким образом, обеспечит контролируемое изменение основных параметров разрабатываемых элементов. Апробация данного подхода будет проходить на прототипах энергонезависмых делителей сигнала, микрокольцевых резонаторах и интерферометрах Маха-Цендера с возможностью изменения параметров оптического сигнала. При разработке и создании данных элементов будет решен целый ряд взаимосвязанных задач из материаловедения (синтез объемных материалов, получение тонких пленок, исследование их свойств, в том числе определение корреляционных зависимостей “химический состав - фазовое состояние - оптические свойства”), фотоники (разработка конструкции интегральных устройств нанофотоники, оптимизация геометрических параметров, исследование изготовленных образцов с целью определения воздействия выбранного подхода) и технологии (выбор технологических решений изготовления, отработка и изготовление прототипов элементов нанофотоники). В результате апробации предлагаемого подхода, а также реализации исследований тонких пленок и экспериментальных устройств нанофотоники будет достигнут ряд новых фундаментальных результатов, в том числе, будут определены корреляционные зависимости между химическим составом, фазовой структурой, оптическими свойствами функциональных областей тонких пленок исследуемых халькогенидных полупроводниковых материалов и распространением излучения в тонкопленочном волноводе; определено влияние интерфейсов функциональных слоев на фазовые превращения; получена информация, необходимая для прояснения механизмов аморфизации тонких пленок фазовой памяти при воздействии сверхкоротким лазерным излучением. Достижение данных фундаментальных результатов не только необходимо для дальнейшего развития делителей сигнала, интерферомеров и кольцевых резонаторов, на которых сфокусировано внимание данного проекта, но и позволит провести оценку возможности применения перспективных функциональных материалов на основе халькогенидных полупроводниковых соединений при создании других интегрально-оптических устройств, например, мультиплексоров, а также различных электро-оптических устройств на основе материалов фазовой памяти. Несомненной практической значимостью будет обладать разработанная в рамках выполнения проекта полностью отечественная технология изготовления быстродействующих энергонезависимых элементов нанофотоники с возможностью изменения параметров оптического сигнала, что обеспечит создание новых элементов, необходимых для конструирования интегрально-оптических функциональных схем с повышенным быстродействием, и дальнейшее развитие интегральной оптики и квантовой интегральной оптики, а также различных систем на их основе, в частности нейронных сетей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лазаренко П., Ковалюк В., Ан П., Смаев М., Глухенькая В., Ситников А., Проходцов А., Якубов А. Функциональные тонкие пленки на основе легированного Sn полупроводника Ge2Sb2Te5 для интегральных многоуровневых оптических устройств. Тезисы докладов школы молодых ученых "Быстропротекающие электровзрывные, электронные и электромагнитные процессы в импульсной электронике и оптоэлектронике" БПИО-2020, С. 56-57. (год публикации - 2020)

2. Лазаренко П., Ковалюк В., Козюхин С., Ан П., Такац В., Проходцов А., Глухенькая В., Кулевой Т., Шерченков А., Гольцман Г. Sn-doped Ge2Sb2Te5 thin films for optical waveguide application 19th International Conference Laser Optics ICLO 2020., TuR9-p40 (год публикации - 2020)

3. Глухенькая В.Б., Ромашкин А.В, Якубов А.О., Лазаренко П.И., Шерченков А.А., Козюхин С.А. Локальные структурные перестроения в тонких пленках Ge2Sb2Te5 в процессе термической кристаллизации Аморфные и микрокристаллические полупроводники-2021 (год публикации - 2021)

4. П.И. Лазаренко, В. Ковалюк, П. Ан, В. Глухенькая, В. Такац, Т. Кулевой, А. Голиков, А. Якубов, А. Шерченков, С. Козюхин, Г. Гольцман Интегральные многоуровневых оптические устройства на основе функциональных тонких пленок Sn-Ge2Sb2Te5 Аморфные и микрокристаллические полупроводники-2021 (год публикации - 2021)

5. Глухенькая В., Ромашкин А., Якубов А., Лазаренко П., Шерченков А. Local structural rearrangements in Ge2Sb2Te5 thin films under thermal crystallization Book of Abstract SaintPetersburg OPEN 2021 (год публикации - 2021)

6. П. Лазаренко, В. Ковалюк, П. Ан, А. Проходцов, А. Голиков, А. Шерченков, С. Козюхин, И. Фрадкин, Г. Чулкова, Г. Гольцман Size effect of the Ge2Sb2Te5 cell atop the silicon nitride O-ring resonator on the attenuation coefficient APL Materials, APL Materials. – 2021. – Vol. 9. – Is. 12. – P. 121104 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0066387

7. В.Б. Глухенькая, Н.М. Толкач, П.И. Лазаренко, А.В. Ромашкин, А.А. Шерченков, Е.А. Лебедев CW laser crystallization of GST thin films in multilayered conductive substrate for reflective display application Sixth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings, Номер 6, 388 страниц (год публикации - 2022)

8. П.И. Лазаренко, В.Б. Глухенькая, А.В. Ромашкин, А.О. Якубов, М.Е. Федянина, А.А. Шерченков Structural modications in Ge2Sb2Te5 thin lms during thermal crystallization V International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2021: Proccedings, Номер 5, 268 страниц (год публикации - 2021)

9. П.И. Лазаренко, В. Ковалюк. П. Ан, А. Проходцов, В.Б. Глухенькая, Т. Кулевой, А.О. Якубов, А.А. Шерченков, С.А. Козюхин, Г. Гольцман Chalcogenide thin films for reconfigurable optical waveguide application Sixth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings., Номер 6, 388 страниц (год публикации - 2022)

10. В.Б. Глухенькая, А.В. Ромашкин, А.О. Якубов, П.И. Лазаренко, М.Е. Федянина, А.А. Шерченков Raman scattering of structural modifications in Ge2Sb2Te5 thin films during thermal crystallization: in-situ Raman scattering study Микро- и наноэлектроника-2021: Труды международной конференции: сборник тезисов, Номер 14 (год публикации - 2021)
10.29003/m2433.ICMNE-2021

11. М.П. Смаев, П.И. Лазаренко, И.А. Будаговский, А.О. Якубов, В.Т. Борисов, Ю.В. Воробьев, Т.С. Кункель, С.А. Козюхин Direct single-pass writing of two-phase binary diffraction gratings in a Ge2Sb2Te5 thin film by femtosecond laser pulses Optics and Laser Technology, Optic and Laser technology. - 2022. - Vol. 153. - P. 108212 (год публикации - 2022)
10.1016/j.optlastec.2022.108212

12. П. Лазаренко, В. Ковалюк, П. Ан, С. Козюхин, В. Такац, А. Голиков, В. Глухенькая, Ю. Воробьев, Т. Кулевой, А. Шерченков, Г. Гольцман Low Power Reconfigurable Multilevel Nanophotonic Devices Based on Sn-Doped Ge2Sb2Te5 Thin Films Acta Materialia (год публикации - 2022)
10.1016/j.actamat.2022.117994

13. Глухенькая В.Б., Якубов А.О., Ромашкин А.В., Лазаренко П.И., Федянина М.Е., Шерченков А.А. Локальные структурные перестроения в тонких пленках Ge2Sb2Te5 в процессе термической кристаллизации Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и материалы», Номер 1, 316 страниц (год публикации - 2021)

14. Лазаренко П.И., Ковалюк В., Ан П., Глухенькая В., Кулевой Т., Голиков А., Якубов А., Шерченков А., Козюхин С., Гольцман Г Интегральные многоуровневые устройства нанофотоники на основе функциональных материалов фазовой памяти Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и материалы», Номер 1, 316 страниц (год публикации - 2021)

15. Александр Колчин, Дмитрий Шулейко, Михаил Мартышов, Александра Ефимова, Леоинд Голован, Денис Преснов, Татьяна Кункель, Виктория Глухенькая, Петр Лазаренко, Павел Краснов, Станислав Заботнов, Сергей Козюхин Artificial Anisotropy in Ge2Sb2Te5 Thin Films after Femtosecond Laser Irradiation MDPI Materials, MDPI Materials. - 2022. - Vol. 15. - Issue 10. - P. 3499 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15103499

16. В. Б. Глухенькая, Н. М. Толкач, П. И. Лазаренко, А. А. Шерченков, С. А. Козюхин Формирование перестраиваемых энергонезависимых оптически контрастных изображений на поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5 для отражающих дисплейных технологий и создания голографических изображений Сборник тезисов докладов XIX международной конференции по голографии и прикладным оптическим технологиям, стр. 181-185 (год публикации - 2022)

17. В. Б. Глухенькая, Н. М. Толкач, М.П. Смаев, П. И. Лазаренко Формирование энергонезависимых оптически контрастных RGB-изображений на поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5 в поле непрерывного лазерного излучения Тезисы докладов школы молодых ученых "Быстропротекающие электромагнитные, электронные и электромагнитные процессы в импульсной электронике и оптоэлектронике", стр. 28-29 (год публикации - 2022)

18. Генералова Я.С., Смаев М.П., Будаговский И.А., Лазаренко П.И., Федянина М.Е. ЛАЗЕРНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5 И Sb2Se3 Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и материалы», стр. 109-111 (год публикации - 2022)

19. Лазаренко П., Ковалюк В., Ан П., Голиков А., Кицюк Е., Якубов А., Шерченков А., Козюхин С., Гольцман Г. Интегральные активные устройства нанофотоники на основе функциональных материалов Ge-Sb-Te Тезисы докладов XV Российской конференции по физике полупроводников, стр. 308 (год публикации - 2022)

20. П. Лазаренко, В. Ковалюк, П. Ан, А. Голиков, В. Такац, Т. Кулевой, А. Проходцов, А. Шерченков, С. Козюхин, А. Колобов, Г. Гольцман Effect of cell size and Sn-doping on the parameters of the silicon nitride devices based on Ge2Sb2Te5 Book of abstract the 29th International Conference on Amorphous and Nanp-crystalline Semiconductors, - (год публикации - 2022)

21. Я. С. Лебедева, М. П. Смаев, И. А. Будаговский, М. Е. Федянина, И. С. Синев, Т. С. Кункель, А. В. Ромашкин, П. А. Смирнов, А. А. Шерченков, C. А. Козюхин, П. И. Лазаренко ФОТОИНДУЦИРОВАННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ ПЛЕНОК Sb2Se3 И Ge2Sb2Te5 ПОВЕРХНОСТЬ. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2023)

Публикации