Гетероструктуры на основе нитевидных нанокристаллов полупроводниковых соединений III-V и широкозонных полупроводников: фундаментальные исследования и инновационный дизайн функциональных наноматериалов для оптоэлектроники

Project

Project Details

Description

Основной целью НИР является достижение передовых позиций в мировой научно-образовательной элите путем проведения исследований и разработок в области передовых технологий. За отчетный период были проведены
фундаментальные научные исследования в актуальных направлениях, посвященных моделированию, эпитаксиальным методам синтеза и диагностике сложных полупроводниковых наногетероструктур, в частности, гетероструктур на основе III-V и III-N нитевидных нанокристаллов (ННК). Также проводились работы по приборной функционализации полупроводниковых наногетероструктур на основе III-V ННК и широкозонных полупроводников GaN и SiC, в том числе, для фотонных приборов и устройств, интегрированных с кремниевой электронной платформой.

Layman's description

Интеграция оптоэлектроники с кремниевой электронной платформой является "мечтой" исследователей на протяжении более чем 30 лет. Основной целью данной работы является синтез, диагностика, моделирование и создание приборных структур для лазеров, светодиодов, фотоприемников, солнечных элементов на основе наноструктур III-V полупроводников с радикально уменьшенной плотностью структурных дефектов, выращенных различными эпитаксиальными методами на подложках кремния. Получены новые результаты, находящиеся на мировом уровне исследований в данной области. В частности, получены наноструктуры InGaN, излучение которых перекрывает всю видимую область электромагнитного спектра и дает возможность создавать высокоэффективные и дешевые RGB светодиоды нового поколения. Опубликовано 23 статьи в научных журналах, в том числе - 15 статей в журналах Q1.

Key findings for the project

Основные результаты по проекту в целом включают в себя:
- Теоретические модели, концепции, эпитаксиальные методики и создание принципиально новых функциональных наноматериалов для полупроводниковой и гибридной нанофотоники на основе III-V полупроводников, в том числе, интегрированных с кремниевой электронной платформой.
- Новые методы контроля морфологии, состава, кристаллической структуры ансамблей сложных полупроводниковых наногетероструктур с необходимыми для приложений свойствами.
- Новые технологии и функциональные наногетероструктуры на основе III-V и III-N ННК для приборов и устройств оптоэлектроники, включая лазеры, фотоприемники, светодиоды, источники одиночных фотонов и солнечные элементы.

Key findings for the stage (in detail)

- Проведено моделирование процессов эпитаксиального синтеза III-V полупроводниковых наноструктур различного типа, разработаны методы контроля их морфологии, химического состава и кристаллической фазы.
- Проведен синтез методом молекулярно-пучковой эпитаксии, моделирование, диагностика и приборная функционализация оптоэлектронных нано-гетероструктур на основе III-V ННК.
- Проведены экспериментальные исследования и построена теоретическая модель, объясняющая формирования сверхрешеток, ограниченных фасетками (111)A и (111)B в автокаталитических GaAs ННК, выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках SiOx/Si(111) с регулярными массивами отверстий, подготовленных методом электронной литографии. Полазано, что сто период сверхрешетки пропорционален радиусу ННК.
- Проведено моделирование состава тройных III-V ННК и осевых гетероструктур в таких ННК c узкими гетерограницами (ширина размытия порядка 1 нм для системы InAs/InP). Показано, что в ННК, выращиваемых по механизму ПЖК, возможно подавление сегрегации материалов в термодинамических областях несмешивания твердых растворов InGaAs и InGaN с сильным взаимодействием разнородных пар, что позволяет получить ННК в указанных системах материалов с составом, близком к 50%. В частности, получены InGaN с высоким составом по InN (до 70%), что позволяет перекрыть всю видимую область электромагнитного спектра.
- Построена термодинамическая теория легирования GaAs и других III-V ННК примесями Be, Si и Te, позволяющая рассчитывать коэффициенты компенсации и уровни легирования ННК p- и n-типом в зависимости от скорости роста, соотношения потоков и температуры. Проведены экспериментальные исследования уровней легирования Be, Si и Te GaAs ННК и получены новые данные, позволяющие контролируемым образом легировать GaAs ННК с концентрацией электронов и дырок, достигающей 1019 см-3.
- Разработан метод управления кристаллической фазой GaAs ННК за счет контролируемого изменения контактного угла галлиевой капли. Показано, что кубическая фаза формируется при малых (менее 100o) и больших (более 125o) контактных углах, а гексагональная – при промежуточных значениях контактного угла.
- Проведен теоретический анализ кинетики роста ННК полупроводниковых соединений III-V по механизму ПЖК при наличии конкуренции трех процессов: скорости осаждения элемента группы V, поступления в каплю атомов группы III с учетом поверхностной диффузии, и нуклеации зародышей на границе жидкость-кристалл. Получено обобщенное выражение для скорости вертикального роста ННК, которое может быть лимитировано одним из трех указанных процессов. Проанализированы различные режимы роста с Au и Ga катализаторами в зависимости от потоков элементов III и V и радиуса ННК.
- Проведен теоретический анализ кинетики роста зародыша из наноразмерной материнской среды с ограниченным запасом материала при наличии эффекта остановки роста, возникающего за счет истощения пересыщения. Такой режим характерен для роста островков GaAs ННК из нанокапли Ga по механизму ПЖК и наблюдается при in situ диагностике роста внутри просвечивающего электронного микроскопа. Получено аналитическое решение для зависящих от времени размера островка и концентрации частиц в нано-фазе. Установлена принципиально новая иерархия временных масштабов, согласно которой весь цикл моноцентрического роста зародыша разбивается на 3 стадии: (1) быстрый рост зародыша до размера остановки, (2) медленный рост со скоростью поступления материала в нано-фазу и (3) накачка нано-фазы до первоначального состояния. Сформулирован критерий наличия эффекта остановки роста в зависимости от размера нано-фазы.
- Проведены экспериментальные исследования по in situ мониторингу роста автокаталитического GaAs ННК методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) внутри просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) при различных соотношениях потоков As/Ga. Предложена модель, описывающая изменение формы капли (контактного угла) и радиуса вершины ННК при смене соотношения потоков, и связанной с морфологией ростового интерфейса кристаллической фазы ННК (гексагональная вюрцитная - WZ или кубическая типа цинковой обманки - ZB). Модель хорошо описывает данные, полученные в результате in situ диагностики. Разработан метод управления кристаллической фазой GaAs ННК за счет контролируемого изменения контактного угла галлиевой капли.
- Теоретически исследован эффект истощения концентрации As в капле катализатора роста GaAs ННК на тип легирования GaAs ННК кремнием. Показано, что при достаточно малых начальных концентрациях As в процессе роста островка происходит падение пересыщения раствора до нуля, после чего дальнейший рост становится невозможным без подпитки из газовой фазы. Данный эффект остановки роста еще более повышает вероятность p-типа легирования GaAs ННК кремнием при МПЭ, что подтверждается экспериментально. При увеличении концентрации As в капле раствора Au-Ga-As до 5% при росте методом хлорид-гидридной эпитаксии происходит переход к n-типу легирования GaAs:Si ННК.

Key findings for the stage (summarized)

В отчетный период проводились работы по моделированию роста, морфологии, кристаллической фазы III-V и III-N ННК, синтезу и диагностике III-V и III-N ННК и гетероструктур на основе таких ННК, in situ диагностике роста и кристаллической фазы GaAs ННК с использованием МПЭ-роста внутри просвесивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Был получен ряд новых результатов по кинетике роста GaAs ННК и управлению их физическими свойствами непосредственно в процессе роста за счет контролируемого изменения параметров эпитаксиального процесса. Опубликовано 23 статьи в научных журналах, в том числе - 15 статей в журналах Q1.

Academic ownership of participants (text description)

Дубровский, В. Г. - общее руководство проектом, моделирование роста, морфологии и кристаллической фазы III-V ННК, Агекян, В. Ф., Новиков, Б. В., Штром, И. В., Серов, А. Ю. - диагностика нано-гетероструктур методами оптической спектроскопии, Цырлин, Г. Э. - синтез III-V и III-N ННК методом МПЭ, Кукушкин, С. А., Осипов А. В. - синтез и диагностика тонких пленок SiC на Si, Сибирёв, Н. В., Бердников, Ю. С., Корякин, А. А. - моделирование III-V ННК, Резник, Р. Р. - рост III-V и III-N ННК методом МПЭ.

Rationale of the interdisciplinary approach

Междисциплинарность принятого в проекте подхода заключается в объединении различных методов исследования (моделирование на основе теории нуклеакции в нано-системах, синтез методом МПЭ и замещения атомов, диагностика методами электронной микроскопии, оптической спектроскопии и рентгеновской спектрометрии и т.д.), находящихся на стыке физики полупроводников и физической химии, и широком спектром исследуемых наноматериалов III-V, III-N и SiC.
Short titleФПН-2020
AcronymINI_2020
StatusFinished
Effective start/end date28/08/2031/12/20