Фотодетекторы ближнего и коротковолнового ИК-диапазона на основе нитевидных нанокристаллов InAsP и углеродных наноструктур на кремнии

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 22-19-00494

НазваниеФотодетекторы ближнего и коротковолнового ИК-диапазона на основе нитевидных нанокристаллов InAsP и углеродных наноструктур на кремнии

Руководитель Мухин Иван Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова гетероструктуры, полупроводники, молекулярно-пучковая эпитаксия, эпитаксия Ван-дер-Ваальса, эпитаксиальная стабилизация, интеграция A3B5 и кремния, графен, Si, InAs, InAsP, рентгенодифракционный анализ, Ик-спектроскопия, оптоэлектроника, оптика ИК диапазона

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной задачей настоящего проекта является развитие нового технологического подхода к созданию быстродействующих и высокоэффективных фотодетекторов ближнего и коротковолнового ИК-диапазонов (0,75 - 3,5 мкм) с заданной спектральной чувствительностью на основе гетероструктурированных нитевидных нанокристаллов (ННК) соединений In(As,P) и углеродных наноструктур на кремнии. Переход от гетероструктур планарной геометрии к гетероструктурам на основе эпитаксиальных ННК полупроводниковых соединений А3B5 представляет собой один из перспективных путей развития современной полупроводниковой технологии. Отличительной особенностью ННК является высокое аспектное соотношение высоты ННК к их диаметру, однородная вертикальная ориентация ННК в эпитаксиальном массиве, а также возможность пространственного упорядочения ННК на поверхности подложки. При этом релаксация упругих напряжений на развитой свободной поверхности ННК, позволяет формировать решеточно-рассогласованные гетеропереходы в аксиальной и радиальной геометрии. К размерным эффектам, обусловленным морфологией ННК, также относится эпитаксиальной стабилизация полиморфных структурных модификаций и расширение области смешиваемости твердых растворов (тв. р-ров), а также резонансная локализация электромагнитного поля оптического и ИК-диапазонов. Данные особенности обеспечивают широкие возможности управления зонным профилем, оптическим и электронным ограничением в наноразмерных гетероструктурах на основе ННК. Кроме того эффекты локализации и резонансного усиления электромагнитного поля в ННК позволяют уменьшить объем активной области фотодетектора, а значит и понизить темновой ток, повысить чувствительность и быстродействие прибора. Особый интерес для ИК-оптоэлектроники представляет исследование гибридных структур на основе эпитаксиальных массивов гетероструктурированных ННК тв. р-ров InAsP на подложках Si и углеродных наноструктур: углеродных нанотрубок (УНТ) и графена. Выбор узкозонного (0.35 эВ) полупроводникового материала InAs обусловлен относительно высокой подвижностью носителей заряда 10,000 см^2/В·с и большим временем жизни неосновных носителей, что позволяет использовать InAs и тв. р-р InAsP для создания фотоприемников и светоизлучающих устройств, работающих в коротковолновом ИК-диапазоне (1-3.5 мкм). Особенностью ННК In(As,P) является возможность их самоиндуцированного формирования без применения сторонних катализаторов, что положительно сказывается на качестве материала. Использование буферного слоя на основе двумерного материала - монослоя графена, перенесенного на Si подложку, решает проблему монолитной интеграции соединений A3B5 и Si. Такой подход позволяет достичь высокого структурного совершенства ННК, несмотря на решеточное рассогласование, путем реализации псевдо-Ван-дер-Ваальсовского (ВдВ) механизма гетероэпитаксии в отсутствии сильных ковалентных или ионных химических связей на гетерогранице. Кроме того, листы графена, перенесенные на подложку SiOx/Si, могут быть структурированы фотолитографическими методами. При этом слой термического окисла SiOx будет выступать в качестве ростовой маски, а островки графена будут служить центрами селективного зарождения ННК, что позволит получить упорядоченные массивы ННК требуемые для приборных применений. В свою очередь высокая подвижность носителей заряда и бесщелевая электронная структура графена, обуславливающая широкий спектр оптического поглощения и малое время жизни фотогенерированных носителей заряда, делают его перспективным материалом для создания широкополосных быстродействующих фотодетекторов. Кроме того, интерес представляют и эффекты гибридизации межфазных электронных состояний в гибридных структурах полупроводник/графен, позволяющие изменять оптические и электронные свойства материала. Тонкие (~30 нм) слои одностенных углеродных нанотрубок будут рассмотрены для формирования невжигаемых омических контактов к вершинам ННК с малыми оптическими потерями в ближнем и коротковолновом ИК-диапазоне. Таким образом, одной из целей Проекта является изучение процессов селективной псевдо-ВдВ эпитаксии гетероструктурированных ННК на основе полупроводниковых тв. р-ров In(As,P) на поверхности графен/Si и комплексное исследование структурных, оптических и электрофизических свойств синтезированных гетероструктур. Будут развиты соответствующие пост ростовые технологии и изготовлены приборные структуры фотодетекторов ННК In(As,P)графен/SiOx/Si и In(As,P)/Si ; проведено исследование их эффективности и спектральной чувствительности. Можно ожидать, что гибридные псевдо-Ван-дер-Ваальсовские гетероструктуры, совмещающие в себе прямозонные полупроводники InAsP, углеродные наноструктуры и наиболее широко применяемый материал ИК-оптики - кремний, могут существенно расширить функциональные возможности существующих технологий, в том числе, служить основой для создания мультиспектральных ИК-радиометров и тепловизоров, а улучшение шумовых характеристики и быстродействия востребовано в современных системах телекоммуникаций.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Р.В. Устименко, М.Я. Винниченко, Д.А. Караулов, Д.А. Фирсов, А.М. Можаров, Д.А. Кириленко, И.С. Мухин Interband photoluminescence of InAs(P)/Si nanowires Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико- математические науки, специальный выпуск по материалам Russian Youth Conferense on Physics of Semiconductors 2022 (год публикации - 2022)
10.18721/JPM

2. Лилия Дворецкая, Алексей Можаров, Александр Павлов, Роман Полозков, Иван Мухин Numerical study of detectivity for near-IR photodetectors based on InAsP NWs Scripta Materialia (год публикации - 2023)

3. А.К. Кавеев, В.В. Федоров, Л.Н. Дворецкая, С.В. Федина, И.С. Мухин Формирование одиночных и гетероструктурированных нитевидных нанокристаллов на основе твердых растворов InAs1−xPx на Si(111) Физика и техника полупроводников, ФТП, 2023, вып. 7, стр. 526 (год публикации - 2023)
10.61011/FTP.2023.07.56782.5018C

4. Владимир Федоров, Максим Винниченко, Ратми Устименок, Демид Кирилленко, Евгений Пирогов, Александр Павлов, Роман Полозков, Владислав Шаров, Андрей Кавеев, Дмитрий Минив, Лилия Дворецкая, Дмитрий Фирсов, Алексей Можаров, Иван Мухин Non-Uniformly Strained Core–Shell InAs/InP Nanowires for Mid-Infrared Photonic Applications ACS Applied Nano Materials, ACS Appl. Nano Mater. 2023, 6, 7, 5460–5468 (год публикации - 2023)
10.1021/acsanm.2c05575

5. М.С. Ружевич, К.Д. Мынбаев, Н.Л. Баженов, А.К. Кавеев, А.В. Павлов, В.В. Федоров, И.С. Мухин Photoluminescence of self-induced InAs nanowires diluted with nitrogen St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. 2024. Vol. 17. No. 3.1 (год публикации - 2024)
10.18721/JPM.173.106

6. Андрей Кавеев, Владимир Федоров, Александр Павлов, Дмитрий Минив, Ратмир Устименко, Александр Голтаев, Лилия Дворецкая, Алексей Можаров, Сергей Федина, Демид Кириленко, Максим Винниченко, Карим Мынбаев, Иван Мухин Growth, Crystal Structure, and Photoluminescent Properties of Dilute Nitride InAsN Nanowires on Silicon for Infrared Optoelectronics ACS Applied Nano Materials, Том 7, Номер 3, Страницы 3458-3467 (год публикации - 2024)
10.1021/acsanm.3c06295

7. С.В. Федина, В.В. Федоров, А.К. Кавеев, А.С. Голтаев, Д.В. Минив, Кириленко Д.А., И.С. Мухин Формирование и релаксация упругих напряжений в радиальных наногетероструктурах InAs/InP «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования» / «Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques», «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования» ISSN (PRINT):1028-0960 / «Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques» ISSN:1027-4510, Vol. 18, Supplement1, 2024 (год публикации - 2024)

8. А.С. Голтаев, К.Н. Новикова, Л.Н. Дворецкая, В.В. Федоров, А.К. Кавеев, А.М. Можаров Исследование резонансного поглощения света в гексагонально упорядоченных ННК InAs «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования» / «Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques» , «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования» ISSN (PRINT):1028-0960 / «Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques» ISSN:1027-4510, Vol. 18, Supplement1, 2024. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе реализации третьего года проекта запланированный план исследований выполнен в полном объеме и достигнуты все заявленные результаты. Проведено численное моделирование процесса захвата света упорядоченным массивом ННК. В результате моделирования получены карты зависимости доли мощности световой волны, поглощенной в ННК, и отраженной от массива в зависимости от диаметра и периода следования ННК. Выявлено, что предельное значение мощности, поглощенной в массиве ННК, при оптимальной морфологии составляет от 70 до 90% от общей падающей мощности. При этом массив покрывает только 10–15% поверхности подложки. Это свидетельствует о проявлении волноводного захвата света ННК и эффективного увеличения оптического диаметра ННК в сравнении с геометрической оптикой - резонансная локализация оптического поля в ННК. Для обеспечения наибольшей эффективности поглощения при длине волны 1550 нм диаметр ННК должен составлять 250 – 500 нм с периодом 1000 – 1500 нм. При увеличении длины волны наблюдается смещение эффективной области к большим диаметрам 400 – 600 нм и периодам до 2000 нм. Подготовка структурированных ростовых пластин Si была выполнена с использованием метода микросферой фотолитографии. Были сформированы упорядоченные массивы ННК со средним диаметром (описанной окружности) ~ 500 нм и средней высотой ~ 6,5 мкм. По аналогичной технологии на неструктурированной подложке Si были синтезированы массивы неупорядоченных ННК со средним диаметром 200 нм и высотой 6 мкм. Диаметр селективно упорядоченных ННК соответствовал эффективному поглощению падающего света. Синтезированы самоиндуцированные гетероструктурированные ННК на основе твердых растворов InAs(1-x)P(x) с контролируемым содержанием фосфора (x) до 49%, а также структуры ядро-оболочка, с тонкой псведоморфной оболочкой из чистого InP. Увеличение отношения потоков P2 к As4 приводит к монотонному уменьшению отношения длины к диаметру наноструктур InAsP. Данная особенность позволяет эффективно формировать в ННК гетеропереходы в аксиальной геометрии, что и было использовано при создании функциональных гетероструктур фотодетекторов на основе гетероструктурированных ННК. Для прототипов ИК-фотодиодов синтезированы наногетероструктуры на основе ННК с гетеропереходами в аксиальной геометрии, включающие три сегмента: 1) верхний эмиттер на основе n-InAs0.67P0.33:Si 2) активная область i-InAs0.81P0.19 3) нижний эмиттер – ядро ННК на основе p- InAs0.81P0.19:Be Для исследования функциональных характеристик наногетероструктур на основе выращенных эпитаксиальных массивов ННК In(As,P) на Si методами постростовых технологий созданы мезоструктуры фотодиодов. Диаметр приборных мез определялся используемой теневой маской напыления слоя ITO и составлял от долей до единиц мм. Для формирования лицевого контакта к массивам InAs(P,N) ННК использовались слои ITO или ОУНТ. Развита методика формирования псевдо ВдВ-гетероструктур InAs/графен/CaF2/Si. Установлено, что отсутствие сильных ионных или ковалентных связей на гетерограницах InAs/графен и графен/CaF2 позволяет механически отделить массив ННК от подложки. Разработана постростовая технология, позволяющая отделить массивы ННК вместе с нижним слоем графена, который служит прозрачным электродом, от поверхности CaF2/Si. Получены графики плотности тока в диапазоне температур 100–300 К для диодных структур на основе InAsP и InAs ННК (в геометрии Si подложка / ННК / ITO). Исследуемые структуры имели выраженную нелинейную диодную ВАХ. Наблюдаемая на представленных ВАХ зависимость обратного тока от величины обратного смещения, свидетельствовали о наличии токов утечки в исследуемых структурах, связанных с проводимостью по точечным дефектам или поверхностным состояниям. В свою очередь, снижение температуры приводило к снижению темпа термогенерации носителей и вымораживанию дефектов, что проявлялось в снижении уровня обратного тока. Помимо этого, наблюдался рост напряжения открытия диода, вызванный увеличением ширины запрещенной зоны соединения In(As,P) при снижении температуры. Экспериментально получены спектральные зависимости внешней квантовой эффективности фотопреобразования (EQE) при нулевом смещении в диапазоне 1,0–2,5 мкм. Вне диапазона поглощения кремния при температуре 200 К и выше фотоотклик отсутствовал, что свидетельствовало о высоком темпе рекомбинации фотогенерируемых носителей заряда в активной области In(As,P) наногетероструктуры. В свою очередь, при снижении температуры ниже 200 К, фототок в длинноволновой области начинал возрастать. При температуре 100 К значение квантовой эффективности на длине волны 1300 нм доходило до величины 0,3 %. В соответствии с проведенным оценкам,с учетом морфологии массива ННК (диаметр ННК ~150 нм, поверхностная плотность ~2 мкм-2) коэффициент поглощения исследуемой структуры для излучения с длиной волны 1300 нм не превышал 10%. Если учесть, что максимальное значение внешней квантовой эффективности (EQE) при температуре 100 К составило 0,3 %, то можно оценить величину внутренней квантовой эффективности (IQE) на уровне 3%. Таким образом, повысить чувствительность ИК-фотодетектора на основе наногетероструктурных In(As,P) ННК можно за счет оптимизации параметров морфологии массива ННК, а именно путем увеличения их диаметра или поверхностной плотности до 400–500 нм и ≥10 мкм-2, соответственно. Проведено исследование созданных приборных фотодетекторных мез на наличие дефектов и коротких замыканий методом визуализации тока, индуцированного оптическим лучом. Наблюдалось однородное растекание тока по поверхности мезы. Получены спектры оптического отражения от эпитаксиальных массивов InAs ННК на кремниевой подложке для диапазона 0,5-2,5 мкм. Наблюдалось уменьшение коэффициента отражения для образцов с массивами ННК по сравнению с кремниевой пластиной. Для неупорядоченного массива ННК коэффициент отражения имел минимум в области 500 – 1000 нм, однако с увеличением длины волны 1 – 2,5 мкм начинал возрастать и стремиться к показателю кремниевой пластины. Так, неупорядоченные массивы ННК имели низкий уровень поглощения света в ИК области, что негативным образом сказывается на работе ИК-фотодетекторов на их основе. В случае гексагонально упорядоченного массива ННК наблюдалось резонансное усиление поглощения, наиболее ярко проявляющееся в диапазоне длин волн 1 – 1,5 мкм. Это связано с упорядоченностью таких массивов и увеличением диаметра ННК. Также наблюдается отличие в коэффициенте отражения для диапазона длин волн свыше 2 мкм, стремящемся к 0%. Результаты численных расчетов хорошо соответствовали полученными экспериментальным данными.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Фотодетекторы ближнего ИК-диапазона на основе массивов нитевидных нанокристаллов могут найти свое применение в различных областях, включая оптическую спектроскопию, приборы ночного видения, лидары