Проект направлен на фундаментальные исследования и инновационный дизайн новых наноматериалов для приборов и устройств оптоэлектроники на основе ансамблей нитевидных нанокристаллов (ННК), наномембран, гибридных нано-гетероструктур тройных полупроводниковых соединений III-V, в том числе, на подложках кремния. Основной целью проекта является разработка воспроизводимых методов управления составом в ансамблях наноструктур тройных соединений III-V для всех систем таких материалов, включая нитридные
Проект направлен на создание наноматериалов с новыми функциональными свойствами на основе ансамблей нано-гетероструктур полупроводниковых соединений III-V и III-N, которые являются основными материалами оптоэлектроники.
В данных исследованиях заинтересованы такие компании региона, как АО «Научное и технологическое оборудование» (SemiTeq), НПО "Коннектор Оптикс", ОАО Светлана-электронприбор и др.
Данные наноматериалы могут быть использованы при выполнении проектов "Квантовые вычисления" (РосАтом) и "Квантовые коммуникации" (РЖД), например, для создания источников одиночных фотонов, нанолазеров и волноводов, используемых в интегральных схемах. В дорожные карты проектов входит большое количество научных коллективов Санкт-Петербурга, в том числе СПбГУ, ФТИ им. Иоффе, ИТМО и другие.
Будут получены новые результаты в следующих областях:
1) Теоретические и экспериментальные исследования функций распределения по размерам наноструктур тройных соединений III-V и их влияния на флуктуации состава и оптические свойства в ансамблях таких наноструктур.
2) Моделирование состава в ансамблях наноструктур тройных соединений III-V различной геометрии. Получение и исследование диаграмм состава в виде распределений z(x), связывающих состав твердого раствора ансамбля наноструктур AxB1-xC с составом газовой среды z и условиями эпитаксиального роста (соотношение потоков (A+B)/C, температура, состав катализатора при росте нитевидных кристаллов (ННК) по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) и т.д.).
3) Разработка воспроизводимых методов управления составом в ансамблях наноструктур тройных соединений III-V, например, путем изменения общего соотношения потоков V/III при постоянной температуре. Подавление термодинамически запрещенных областей несмешивания в ансамблях наноструктур III-V с сильным взаимодействием пар, таких как InGaAs, InGaP, InGaN и GaSbAs. Это позволит получать наноматериалы для различных приложений любого состава, практически не ограниченного рассогласованием решеток.
4) Разработка новых методов контроля состава и резкости гетерограниц в осевых, радиальных и комбинированных наноструктурах на основе ННК тройных соединений III-V и III-N, а также в нанострукутрах иных геометрий, выращиваемых методами селективной эпитаксии.
5) Эпитаксиальный синтез, диагностика состава, оптическая и структурная диагностика ансамблей нано-гетероструктур на основе тройных соединений III-V и III-N и инновационный дизайн ансамблей функциональных оптоэлектронных структур с расширенной областью изменения и минимизированными флуктуациями состава.
) Будет разработана модель для функции распределения по длине и радиусу ННК тройных соединений III-V, выращиваемых по механизму ПЖК и теоретически исследовано влияние разброса по размерам на флуктуации состава в ансамблях таких ННК.
2) Будет проведено устранение неопределенностей, связанных с принципиально не измеряемыми ни в процессе, ни после роста малыми концентрациями атомов летучих элементов группы V (As, P, Sb, N) в капле при росте тройных III-V ННК, основанных на смешении атомов группы V. Будут получены диаграммы состава в виде распределений z(x), связывающих состав твердого раствора ансамблей тройных III-V ННК с составом газовой среды с учетом флуктуаций, вызванных разбросом по размерам. Будет проведено их детальное исследование и сравнение с экспериментальными данными, как опубликованными в литературе, так и полученными в экспериментальной части проекта, в широкой области систем материалов (GaAsP, InAsP, InAsSb, AlAsSb).
3) Будет развита теория для одиночных структур, предложенная в работах [25,26], и получены распределения z(x), связывающие состав тройного раствора в ансамблях наноструктур тройных соединений III-V с составом газовой среды, соотношением потоков V/III, температурой и геометрическими параметрами системы при эпитаксиальном росте из газовой фазы в отсутствие жидкого катализатора. Будет проведено сравнение теоретических распределений с экспериментальными данными, как опубликованными в литературе, так и полученными в экспериментальной части проекта во всем спектре полупроводниковых материалов III-V, основанных на смешении элементов группы III (InGaAs, AlGaAs, InGaP, InGaN и т.д.) и группы V (InAsP, GaAsP, InAsSb, GaAsSb, AlAsSb и т.д.)
4) Будет развита и завершена разработка полностью самосогласованной кинетической модели формирования тройных твердых растворов и гетероструктур в ансамблях III-V наноструктур с сильным взаимодействием разнородных пар (InAs-GaAs, InN-GaN, AlSb-AlP, GaSb-GaP) при селективном росте наноструктур (вертикальных и горизонтальных ННК, наномембран и т.д.), в том числе, на поверхностях Si. Будет проведено углубленное исследование механизмов подавления термодинамических областей несмешивания (miscibility gaps) в ансамблях нано-гетероструктур на основе данных систем материалов в зависимости от технологически контролируемых параметров эпитаксиального процесса (например, температуры и соотношения потоков элементов групп III и V).
5) Будет исследована возможность синтеза методом МПЭ ансамблей полупроводниковых наноструктур переменной размерности в различных системах материалов на основе тройных соединений III-V с минимизированными флуктуациями состава и узкими гетеро-интерфейсами. Будут исследованы физические свойства выращенных наноструктур.
6) ) Методом МПЭ по механизму ПЖК будут выращены ансамбли ННК тройных соединений III-V в различных системах материалов, исследованы их статистические свойства, химический состав, структурные и оптические свойства, получены распределения z(x) и проведено сравнение с предсказаниями теоретических моделей.
7) Будут проведены теоретические исследования процессов формирования ансамблей InGaN ННК в различных эпитаксиальных технологиях (МПЭ, ГФЭМО, хлорид-гидридная эпитаксия) и на различных подложках, синтез InGaN на поверхностях Si методом МПЭ, и выявлены оптимальные условия получения максимальной концентрации и однородности состава по In в ННК.
8) Будут экспериментально и теоретически исследованы эффекты быстрого (практически мгновенного) моноцентрического роста монослоев в вертикальных ННК и наноструктурах другой геометрии, и их влияние на состав ансамблей ННК со спонтанными радиальнми гетероструктурами типа ядро-оболочка [38] в системах материалов InGaN, InGaAs и AlGaAs при МПЭ без переключения потоков атомов группы III.
