Гибридные наноструктуры III-V полупроводников для приложений в фотонике
Соглашение № 14.613.21.0055 от 30 ноября 2015 года с Минобрнауки России
(уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI61316X0055)
Результаты выполнения работ 1 этапа
Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии
Подготовлен аналитический обзор.
Проведены патентные исследования.
Разработаны модели роста нитевидных и пластинчатых нанокристаллов. Получена эволюция функции распределения и промоделирован рост ансамбля автокаталитических нитевидных нанокристаллов в режиме самофокусировки радиуса. Представлено развитие модели автокаталитического роста GaAs одиночных нитевидных нанокристаллов. Изложены модели самоиндуцированного роста наноструктур, в том числе для GaN нитевидных нанокристаллов. Учет зависимости диффузионного потока от длины структуры позволяет корректно описать начальный этап роста наноструктур. Полученные результаты могут быть использованы для выбора оптимальных условий при синтезе однородных по диаметру нитевидных нанокристаллов. Была представлена модель роста пластинчатых нанокристаллов, в том числе формирование двойников.
Полученные результаты выполнены на высоком научном и техническом уровне и соответствуют условиям данного Соглашения, в том числе плану-графику, требованиям работ и их результатам исполнения обязательств.
Описание результатов работ, выполненных за счет внебюджетных средств
Найдена оптимальная геометрии пластинчатых нанокристаллов GaAs/(Al,Ga)As для излучения на 814 нм. Для пластинчатых нанокристаллов (In,Ga)As/GaAs найдена оптимальная геометрия для излучения в диапазоне 1300-1500 нм..
Исследован рост GaAs пластинчатых нанокристаллов на кремнии с использован оксида кремния в качестве маски. Исследованы оптические свойства полученных наноструктур.
Морфологические свойства пластинчатых нанокристаллов исследованы методами просвечивающей и растровой микроскопии.
Результаты выполнения работ 2 этапа
Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии
Получена эволюция функции распределения и промоделирован рост ансамбля автокаталитических нитевидных нанокристаллов (ННК) в режиме самофокусировки радиуса. Представлено развитие модели автокаталитического роста GaAs одиночных ННК. Изложены модели самоиндуцированного роста наноструктур, в том числе для GaN ННК. Учет зависимости диффузионного потока от длины структуры позволяет корректно описать начальный этап роста наноструктур. Полученные результаты могут быть использованы для выбора оптимальных условий при синтезе однородных по диаметру ННК.
Выращены самоиндуцированные GaN ННК на Si и SiC/Si подложках и найдены оптимальные ростовые условия, обеспечивающие высокое кристаллическое совершенство ННК. Проведены исследования кристаллических и морфологических свойств GaN ННК. Из анализа рамановского спектра был сделан вывод, что выращенные GaN ННК имеют кристаллическую решетку типа вюрцит. Исследования морфологических свойств показали, что средний диаметр ННК, выращенных при оптимальных условиях, соответствующим наиболее длинным и тонким наноструктурам, составил 90 нм, а их длина - более 1 мкм.
Проведено исследование оптических свойств GaN ННК, выращенных на Si: пик фотолюминесценции соответствует длине волны 357 нм. Исследование оптических свойств показало, что интенсивность пика спектра фотолюминесценции ННК, выращенных на подложке SiC/Si(111), более чем в 2 раза выше, чем у лучших структур GaN ННК без буферного слоя SiC. Установлено, что использование GaN ННК на гибридной подложке более предпочтительно для различных приложений фотовольтаики ввиду меньшей плотности дефектов.
Описано влияние различных кинетических эффектов на функцию распределения по длине ННК. Установлено, что функция распределения по длине принимает двумодальную форму при достижении ННК определенной длины, которая определяется диффузионной длиной. Исследование полезно в целях фундаментального понимания процессов роста и совершенствования технологий синтеза, в частности для создания однородных ансамблей ННК.
Результаты исследований опубликовано в двух научных статьях индексируемых в Web of Science и представлены на двух конференциях. Полученные результаты выполнены на высоком научном и техническом уровне и соответствуют условиям данного Соглашения, в том числе плану-графику, требованиям работ и их результатам исполнения обязательств.
Описание результатов работ, выполненных за счет внебюджетных средств
Найдена оптимальная геометрии структур на основе нитевидных нанокристаллов. Проведено исследование зависимости поглощения от диаметра и питча нитевидных нанокристаллов.
Исследован рост GaAs пластинчатых нанокристаллов на кремнии с использован оксида кремния в качестве маски. Исследованы оптические свойства полученных наноструктур.
Была представлена модель роста пластинчатых нанокристаллов (ПНК), в том числе в случае формирования двойников.
Результаты выполнения работ 3 этапа
Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии
Исследованы процессы зародышеобразования нанокристаллов. Показано, что распределение длины и диаметра на yачальной стадии роста слабо зависит от флуктуационно-индуцированного уширения, а определяется стадией инкубации. Проведены исследования процессов легирования нитевидных нанокристалов. Развито описание роста нитевидных нанокристаллов по механизму Пар-Жидкость-Кристалл, позволяющее обойти неопределённость в контактном угле. Исследованы процессы роста аксиальных гетероструктур в нитевидных нанокристаллах (Al,Ga)N. Разработана простейшая модель формирования гетрострукутр в нитевидных нанокристаллах без учета упругих напряжений.
Описаны методы получения однородных массивов нитевидных нанокристаллов (ННК). Выращенны нитридные нитевидные нанокристаллы, в том числе числе (In,Ga)N и (Al,Ga)N гетероструктурные ННК. Исследованы процессы легирования ННК. Проведены измерения оптических и структурных свойств ННК.
К наиболее необычным результатом следует отнести возможность получения нитридных ННК с составом находящемся внутри зоны несмешиваемости. Исследованы процессы легирования ННК, когда примесь встраивается по другому механизму, чем основной материал.
Результаты исследований опубликовано в трех научных статьях индексируемых в Web of Science и представлены на трех конференциях, защищена кандидатская диссертация Бердникова Ю.С. “Кинетика функции распределения по размерам при эпитаксиальном росте наноструктур”. Полученные результаты выполнены на высоком научном и техническом уровне и в целом соответствуют условиям данного соглашения, в том числе плану-графику, требованиям работ и их результатам исполнения обязательств, кроме обязательства по защитам диссертационных работ.
Описание результатов работ, выполненных за счет внебюджетных средств
Пластинчатые нанокристаллы (ПНК) GaAs и GaAs/(Al,Ga)As были выращены методом селективной молекулярно-пучковой эпитаксии, на подложках GaAs(111)B покрытых оксидом кремния, температура роста 635°С, скорость осаждения 0.1 нм/c. Длина ПНК состаляет 10 микрон, ширина 100 нм, расстояния между соседями 500 нм. В образцах, гда GaAs ПНК были покрыты (Al,Ga)As, номинальня толщина слоя (Al,Ga)As составила 50 нм.
ПНК были ориентированы в <2ĪĪ > направлении. Огранка ПНК состояла из (110) и (131) граней. При заращивании слоем (Al,Ga)As огранка менялась со (110) на (221).
Были измерены спектры микрофотолюминисценции, полученных структур. В целом на спектра наблюдаются две полосы в районе 1515 meV и 1490 meV. Полоса 1515 meV соответствует излучению GaAs наномембраны, а полоса 1490 meV связанна с углеродным загрязнением. При наличии (Al,Ga)As оболочки ширина линии от мембраны увеличивается от 2 meV для чистого GaAs, до 5 meV для 50% (Al,Ga)As.
В ходе выполнения “Гибридные наноструктуры III-V полупроводников для приложений в фотонике” в 2017 году были проведены исследования процессов роста и свойств GaAs ПНК на кремниевой подложке, в том числе содержащих (Al,Ga)As/GaAs гетероструктуру.
Результаты выполнения работ 4 этапа
Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии
Были продолжены исследования процессов зародышеобразования нитевидных нанокристаллов с учетом упругих напряжений и разработаны методы учета эффекта релаксации упругих напряжений, определяющие зарождение и послойный рост ННК. Была разработана модель роста, учитывающая роль накопления энергии упругих напряжений при формировании гетерострукутр в ПНК и ННК. Были установлены зависимости вклада упругих напряжений в энергию формирования сегмента ННК или ПНК от геометрических параметров.
Для сиситемы материалов AlGaN были выращены образцы нитридных ННК и исследованы структурные свойства ННК, растущих в чистой вюрцитной фазе без значительных дефектов на подложках кремния, покрытых слоем карбида кремния.
В результате исследований процессов формирования наногетероструктур в нитевидных и пластинчатых нанокристаллах было определено оптимальное значение аспектного соотношения при формировании гетероструктурных ННК-ПНК в системе InGaAs со значительным влиянием упругих напряжений. Были получены гибридные наноструктуры горизонтальных ННК на вершинах ПНК в системе InGaAs со значительной ролью упругих напряжений. Были исследованы структурные и оптоэлектронные свойства полученных наноструктур
На четвертом этапе были исследованы лимитирующие факторы для состава и морфологии ННК и ПНК. Было показано, что самокаталитический механизм роста ННК позволяет контролировать морфологию путем варьирования температуры подложки и атомарных потоков. Также была теоретически показана возможность подавления областей несмешивания в ННК тройных составов за счет кинетики роста. Было показано, что эффект Парселла в одномерных наноструктурах усиливает спонтанное излучение, что открывает перспективы для создания излучающих устройств на основе ННК и ПНК. Была разработана полезная модель солнечного элемента на основе ПНК (Al,Ga)As c поперечными гетеропереходами.
Описание результатов работ, выполненных за счет внебюджетных средств
Иностранным партнером были продолжены исследования процессов роста и свойств InGaAs ПНК. ПНК c основанием GaAs и горизонтальными InAs и InGaAs ННК на вершине ПНК были получены методом селективного роста на установке молекулярно-пучковой эпитаксии DCA D600 Gen II, расположенной в лаборатории полупроводниковых материалов Эколь Политехник в Лозанне, Швейцария (Laboratory Of Semiconductor Materials, EPFL, Lausanne, Switzerland). Было установлено, что оптимальный рост гетероструктур GaAs / InAs ПНК/ННК проходит при температуре 630°C/540°C, потоке мышьяка в 4×10-6/8×10-6 Торр и скоростях осаждения индия и галлия в 1,0/0,2 Å/сек соответственно. ННК InAs выращивали в течение 200 сек.
Были исследованы структурные и оптические свойства полученных наноструктур. Сопоставление ADF-STEM и EELS изображений, в плоскости, перпендикулярной оси ННК показало, что на ПНК GaAs высотой 250 нм формируются ННК InAs диаметром ~ 50 нм. InAs преимущественно накапливается вдоль верхней части GaAs ПНК, образуя ННК, который в основном представляет собой InAs с областью смешанных составов InGaAs толщиной ~ 20 нм.
Наногетероструктуры (In,Ga,Al)As ННК типа ядро-оболочка были исследованы различными методами: атомно-зондовой томографии (APT), сканирующей электронной микроскопии совмещенной с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопей (STEM EDX), и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS). В результате было обнаружено смещение излучения в сторону красной части спектра, обусловленное встраиванием индия в AlGaAs оболочку и формированием полупроводникового материала с меньшей шириной запрещенной зоны.
Оптические свойства полученных структур были исследованы с помощью метода микрофотолюминисценции. В качестве модели для данных структур использовался ансамбль квантовых точек, встроенных в оболочку ННК. Как модельные, так и экспериментальные результаты показали увеличение интенсивности спектра квантовых точек с ростом давления паров индия при формировании наногетероструктур.