Научная проблема, на которую направлен проект: Создание наноматериалов на основе полупроводниковых соединений III-V и III-N: фундаментальные исследования и приложения в оптоэлектронике, совмещенной с кремниевой электронной платформой.
Конкретные задачи в рамках проблемы, на решение которых направлен проект: 1) Моделирование процессов нуклеации и роста полупроводниковых наноструктур из нано-объемов и на нано-поверхностях с учетом размерных эффектов и ограниченного объема материала, запасенного в материнской среде. 2) Моделирование и новые технологии синтеза нано-гетероструктур на основе вертикальных III-V ННК, планарных ННК и наномембран, а также структур более сложной архитектуры методом селективной эпитаксии на подложках с диэлектрическими масками, включая подложки SiOx/Si. 3) Моделирование и экспериментальные исследования фундаментальных ростовых процессов и процессов легирования при эпитаксии нано-гетероструктур на основе III-V и III-N ННК, гибридных наноструктур различного типа, управление их морфологией, кристаллической фазой и составом. 4) Теоретические и экспериментальные исследования и инновационный дизайн нано-гетероструктур на основе полупроводниковых соединений III-V и III-N на кремнии для интеграции III-V оптоэлектроники и кремниевой электроники.5) Новые модели и методы управления составом тройных соединений III-V и наноструктур на основе таких материалов различной геометрии (вертикальные и горизонтальные ННК, наномембраны, наноостровки) в различных системах 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.). Новые модели и методы создания оптоэлектронных гетероструктур с расширенной областью по составу с подавлением термодинамически запрещенных областей в системах с большим рассогласованием решеток (InGaAs, InGaN, AlAsSb), что актуально, в частности, для получения эффективного красного излучения и создания RGB светодиодов на основе InGaN.
Научная новизна поставленных задач: Научная новизна заключается в том, что в нем впервые будут получены новые прорывные результаты в следующих областях: 1) Моделирование и экспериментальные исследования фундаментальных ростовых процессов при эпитаксии нано-гетероструктур на основе III-V и III-N ННК, гибридных наноструктур различного типа, управление их морфологией, кристаллической фазой и составом. 2) Принципиально новые методы синтеза тройных соединений III-V и III-N с подавлением термодинамически запрещенных областей несмешивания (miscibility gaps) в InGaAs, InGaN и других системах с сильным взаимодействием пар, и гибридных нано-гетероструктур различного типа на основе таких материалов для приложений в оптоэлектронике. 3) Теоретические и экспериментальные исследования и инновационный дизайн нано-гетероструктур на основе полупроводниковых соединений III-V и III-N на кремнии для интеграции III-V оптоэлектроники и кремниевой электроники. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы: В настоящее время около 35% всех потребительских технических товаров составляют устройства, построенные на основе фотонных технологий. Глобальный мировой рынок фотоники составил в 2022 году примерно 750 млрд. долл. США. Мировой рынок фотоники растет темпами, существенно превышающими скорость роста мирового ВВП.
Решение глобальных и региональных экологических, энергетических и коммуникационных проблем, проблем современного человека, в значительной степени зависит от развития фотоники. К методам и технологиям фотоники относятся использование солнечной энергии – фотовольтаика, замена традиционных источников света экологически чистыми и энергетически эффективными светодиодами, использование лазеров в производстве для экономии материальных и энергетических ресурсов, обеспечение безопасности жизнедеятельности, квантовая информатика – создание экологически ориентированных систем передачи и хранения информации, способных генерировать и обрабатывать быстрорастущие информационные потоки и др. Особо следует отметить фотонные устройства и функциональные системы, интегрированные с кремниевой электронной платформой, что существенным образом затрагивает развитие всей микроэлектронной промышленности и, в частности, колоссального рынка персональной электроники.
Сегмент фотоники в информационно-коммуникационных технологиях (ИКТ), включающий в себя системы гражданской и военной связи, высокопроизводительные вычисления, системы для потребительской электроники, является одним из наиболее быстро растущих. За последнее десятилетие наблюдается 50-кратное увеличение глобальных информационных потоков, около 10% всей энергии уже расходуется на интернет, при этом расход энергии на интернет удваивается каждые 4 года. Размер этого сегмента рынка составил в 2022 г. около 300 млрд. долл. США. Развитие науки и технологий в области фотоники в ИКТ является одной из наиболее глобальных современных научно-технических задач. Изучение, понимание и использование фундаментальных физических законов фотоники является научной основой развития технологий ИКТ, которые в свою очередь обеспечивают выполнение постоянно растущих требований увеличения скорости и объема передачи и обработки информации. Для развития информационной фотоники необходим синтез новых наноматериалов, на которых основаны современные передающие и приемные оптические устройства. Это требует проведения фундаментальных и прикладных исследований в области наноструктур и позволяет объединить весь комплекс описываемых задач термином информационная фотоника и наноструктуры.
Таким образом, решаемая научно-техническая задача мирового уровня состоит в разработке новых наноструктурированных материалов, их функционализации, создания дискретных приборов и систем оптоэлектроники и информационной фотоники. Они перекрывают широкий спектр рабочих длин волн от УФ (структуры на основе широкозонных материалов GaN, SiC) до ближнего ИК (структуры на основе III-фосфидов и антимонидов).
Современное состояние исследований по данной проблеме:
Вертикальные и планарные нитевидные нанокристаллы (ННК), наномембраны и другие конфигурации наноструктур полупроводниковых соединений III-V представляют огромный интерес для создания новых типов электронных и оптоэлектронных устройств, в том числе интегрированных с кремнием, а также для фундаментальных исследований. Малый поперечный размер ННК позволяет синтезировать практически любые когерентные гетероструктуры в системах с большим рассогласованием решеток. За последние годы исполнителями проекта получены новые результаты в области синтеза и моделирования роста, кристаллической фазы и физических свойств ННК (гетероструктурных, тройных, с чередованием различных кристаллических фаз) различной архитектуры. В настоящем проекте планируется развить принципиально новые подходы, позволяющие получать ансамбли ННК с наперед заданными свойствами и приборные структуры на их основе (светодиоды, лазеры, источники одиночных фотонов, сенсоры, катализаторы, солнечные элементы и др.).
Эпитаксия тройных соединений III-V и гетероструктуры типа квантовых ям на основе таких соединений составляют основу современной оптоэлектроники [1,2]. Тройные соединения III-V могут быть основаны на смешении (замене) атомов группы III (например, InxGa1-xAs или AlxGa1-xAs), или группы V (например, GaPxAs1-x или InSbxAs1-x). С учетом нитридных соединений In(Al)GaN, тройные твердые растворы III-V позволяют перекрыть всю видимую часть и ближнюю ИК область электромагнитного спектра. Контроль ширины запрещенной зоны тройных соединений III-V осуществляется за счет изменения состава x. Непрерывному изменению состава, а также прямому эпитаксиальному росту оптоэлектронных гетерострурктур в виде тонких пленок на поверхности кремния (который является основным материалом полупроводниковой электроники) препятствует, по существу, одно и то же обстоятельство - рассогласование решеток двух материалов. Хорошо известно, что в сильно рассогласованных системах материалов имеется термодинамически запрещенная область по составу (miscibility gap) ниже критической температуры Tc (например 543 С для InGaAs и 1260 С для InGaN). В этой области тройной раствор является термодинамически нестабильным и распадается. Это соответствует горизонтальному участку с разрывом равновесного распределения x(z) (или вертикальному участку на обратной зависимости z(x)). Известно, что в системе InGaAs термодинамически запрещенную область по составу можно подавить либо за счет быстрой кинетики роста (в отсутствие десорбции In и Ga с поверхности подложки [1,2]) при T<Tc, либо повышением ростовой температуры выше Tc [3]. Для тонких пленок InGaN это практически невозможно [4], что и препятствует синтезу высокоэффективных структур на основе III-N, излучающих в зеленой и, особенно, красной части спектра.
Распределения z(x), связывающие состав твердого тела x с составом газовой среды z, были экспериментально исследованы для планарных слоев в различных системах материалов III-V [5-9]. В пионерской работе [6] было экспериментально установлено, что распределение z(x) для слоев InSbxAs1-x при фиксированной температуре сильно зависит от общего соотношения потоков V/III: при V/III~1 распределение практически линейно (z=x), а при больших V/III>20 оно становится сильно нелинейным и имеет близкую к вертикальной область, что затрудняет получение твердого раствора с контролируемым составом. Данный эффект был объяснен на основе теоретической модели [6], которая специфична для роста слоев InSbAs методом ГФЭМО и требует численного решения пяти связанных уравнений, описывающих кинетику данного роста.
Существующие при планарном росте ограничения по составу получаемых тройных твердых растворов III-V можно практически полностью снять в наноструктурированных материалах [2]. В этой связи, особый интерес представляют вертикальные ННК, где малая площадь контакта между двумя рассогласованными материалами в осевой гетероструктуре [10] и с рассогласованной подложкой кремния [11] позволяет, в принципе, выращивать нано-гетероструктуры III-V без образования дислокаций несоответствия на готовых CMOS платах и совмещать, таким образом, III-V оптоэлектронику с кремниевой электроникой. Поэтому синтез ННК тройных соединений III-V и III-N и гетероструктур различного типа (осевые, радиальные и комбинированные - типа квантовая точка в ННК) на основе таких ННК с контролируемым составом представляет собой актуальную задачу [12-14] Большинство III-V ННК выращиваются по механизму ПЖК с металлическими катализаторами [15,16]. Наиболее часто используемым катализатором является Au, но широко применяется и автокаталитический МПЭ рост с каплями металлов группы III (Ga, In). Очевидно, автокаталитический рост позволяет полностью избежать крайне нежелательного проникновения Au вглубь ННК [15,16]. Несмотря на значительные успехи в области синтеза и исследования состава ННК тройных соединений III-V в зависимости от различных параметров, выращиваемых по механизму ПЖК и основанных на смешении атомов группы III [17-21] и группы V [22-26] (подробное изложение можно найти в обзорах [27,28]), задача прецизионного контроля состава таких структур еще далека от решения.
Имеющиеся проблемы и в понимании, и в моделировании, и в экспериментальных методах эпитаксиального синтеза тройных III-V ННК точно определенного состава, кристаллической фазы и морфологии объясняются следующим обстоятельствами. Au-каталитический ПЖК-рост тройного ННК, например, InxGa1-xAs (A=In, B=Ga, C=As), происходит из четверного жидкого раствора в капле (In-Au-Ga-As), которая находится в контакте с газовой средой с заданными потоками In, Ga и As. Рассмотрение роста ННК из жидкости с заданными концентрациями In, Ga и As, хотя и позволяет получить теоретическую диаграмму состава y(x) (где y - относительный состав по In в жидкости) [27-33], но практически бесполезно для контроля состава ННК. Высоко летучие соединения группы V (As, P, N) десорбируются из капли (в виде димеров As2, P2 или N2), так что их концентрация в капле (порядка 1 процента или даже меньше [13]) ниже порога чувствительности любого метода химического анализа и поэтому принципиально не измеряема ни в процессе, ни после роста. Между тем, концентрация элемента группы V существенно (в разы) меняет состав тройного соединения. Очевидно, что для ННК тройных соединений III-V, основанных на смешении атомов группы V, ситуация становится еще сложнее, поскольку принципиально неизвестными становятся две концентрации атомов группы V в капле. Более того, при изменении потоков элементов А и B в газовой фазе для формирования тройных ННК различного состава нет никакой гарантии, что суммарная концентрация элементов группы V в капле останется постоянной, поэтому даже ее использование в качестве подгоночной константы является неоправданным [32,33]. Состав капли влияет как на морфологию ННК, так и его кристаллическую фазу (WZ или ZB) [12,13], что также требует учета при разработке моделей и методов контроля состава ННК тройных соединений III-V.
Экспериментально измеренные различными методами распределения состава тройных III-V ННК, выращиваемых по механизму ПЖК с различными катализаторами, позволяют сделать следующие выводы. Единственное на сегодняшний день измеренное распределение y(x), полученное для Au-каталитических InxGa1-xAs ННК при ГФЭМО (T=380 C) при in situ мониторинге роста и состава внутри ПЭМ [20], очень близко к равновесному [29] (или контролируемому двумерной нуклеацией островков InGaAs [30,31]). Оно содержит широкую область несмешивания (от x~0.2 до x~0.8). Вместе с тем, все без исключения измеренные распределения z(x) для Au-каталитических InxGa1-xAs ННК не содержат области несмешивания, хотя эти ННК выращивались при температурах ниже критической [18,19.28]. Большинство распределений z(x) для ННК хорошо описываются одно-параметрической формулой Ленгмюра-МакЛина (ЛМ) [33-36]. Эта же формула описывает экспериментальные распределения z(x) для автокаталитических InxGa1-xN [17] и Au-каталитических AlxGa1-xAs [21] ННК. Данные результаты показывают, что при росте ННК тройных соединений III-V и III-N, основанных на смешении атомов группы III, возможно подавление термодинамически запрещенных областей несмешивания (в InGaAs и, что особенно важно, InGaN ННК) за счет быстрой кинетики ПЖК роста. Действительно, скорость вертикального роста ННК может на порядок величины превосходить скорость роста двумерного слоя за счет капли на вершине ННК, которая является эффективным коллектором атомов группы III [16]. В частности, в работе [17] были продемонстрированы InxGa1-xN ННК с однородным составом x до 0.6, излучающие в синем, зеленом и красном диапазоне, что актуально для создания RGB светодиодов на основе III-нитридов. Несмотря на отмеченные достижения, задача прецизионного контроля состава тройных ННК, основанных на смешении атомов группы III при одновременном контроле морфологии и кристаллической фазы и минимизации кристаллографических дефектов еще далека от решения [27,28].
Экспериментальные данные по составу тройных III-V ННК, основанных на смешении атомов группы V [22-26] достаточно противоречивы, мало систематизированы и не имеют на сегодняшний день единого теоретического описания. Наиболее систематически были исследованы распределения z(x) для Au-каталитических InSbxAs1-x ННК, выращенных методом ГФЭМО при Т=450 С [23]. В данной работе была обнаружена та же тенденция, что и в [6], а именно, увеличение доли встраиваемых в ННК атомов Sb при уменьшении общего соотношения потоков V/III. Однако, реальное соотношение атомарных потоков V/III в каплю существенно (примерно в 15 раз!) уменьшается по сравнению с газовой средой за счет дополнительного диффузионного потока адатомов In с боковых поверхностей ННК в каплю. При V/III= 15 (в газовой фазе) распределение z(x) линейно, тогда как при V/III=57 распределение z(x) становится сильно нелинейным и процент содержания InSb в ННК резко уменьшается. Экспериментальные распределения z(x) для Au-каталитических InPxGa1-x [22], GaPxAs1-x [26], и авто-каталитических GaPxAs1-x [24,25] ННК хорошо описываются однопараметрическим уравнением ЛМ. Однако, при высоких соотношениях потоков V/III (более 15 в работах [22], [24] и [25]) входящее в уравнение ЛМ отношение эффективных коэффициентов встраивания атомов A и B обязательно должно учитывать десорбцию большинства атомов группы V с поверхности капли, чего не было сделано при моделировании данных экспериментальных результатов.
При выполнении проекта мы планируем использовать и развить полностью самосогласованную теорию ПЖК-роста и состава тройных III-V ННК и провести ростовые эксперименты в широкой области систем материалов для разработки нового метода контроля состава в таких структурах. Для этого будет использована единая точка зрения на процесс роста тройного соединения III-V найденная в наших работах 2023 года [34-36]. Основная идея данных работ заключается в следующем. Рост тройного соединения AxB1-xC происходит из газовых атомарных или молекулярных потоков элементов А, B и C, а не пар AC и BC, как считалось в большинстве моделей ранее. Напротив, десорбция из тройного соединения происходит именно в виде пар AC и BC. Граничные условия к трем диффузионным уравнениям на поверхности твердого тела (при росте пар-кристалл) или в жидкости (при росте жидкость-кристалл) должны учитывать общее условие стехеометричности состава - равенство диффузионных потоков A+B и C. В результате, при больших соотношениях потоков (A+B)/C атомы A и B находятся в избытке, что приближает их распределение (z(x) или y(x)) к равновесному. При малых соотношениях потоков (A+B)/C, напротив, рост лимитирован поступлением атомов A и B в тройной твердый раствор, что приближает их распределение к кинетическому (типа ЛM). Например, распределение y(x) для ННК при ПЖК росте всегда будет равновесным для тройных соединений III-V, основанных на смешении атомов группы III, поскольку эти атомы находятся в избытке в жидкой фазе. Именно такое распределение и наблюдается экспериментально [20]. Напротив, распределение y(x) для ННК тройных соединений III-V, основанных на смешении атомов группы V, всегда будет кинетическим [36]. Эти же закономерности относятся к росту из газовой фазы [35]. Рецепт устранения областей несмешивания в сильно рассогласованных системах материалов оказывается весьма простым - такие материалы нужно выращивать в условиях, лимитированных диффузией элементов A и B, а не С. Построенная теория объясняет большое количество экспериментальных данных по различным системам [6,7,17,20-26] и лежит в основе предлагаемого проекта.
Гетероструктуры в III-V ННК различного типа, например - осевые [37, 38] или комбинированные (типа квантовых точек GaAs в матрице широкозонного AlGaAs [39,40]) создаются за счет переключения газовых потоков. Была начата разработка экспериментальных методов сужения осевых гетероинтерфейсов в GaAs/AlGaAs ННК [37] и InAs/InP ННК [38], которые заключаются в подавлении эффекта резервуара в капле катализатора роста (например, прерывания потоков при их коммутации для большего опустошения капли [37]. Эти методы будут развиваться в рамках настоящего проекта, но только после установления правильных зависимостей стационарного состава тройных ННК от состава газовой среды. В результате, мы рассчитываем существенно расширить область применения гибридных наноструктур на основе квантовых точек в ННК для генерации однофотонного излучения, усиления и манипулирования с квантовыми состояниями света для квантовых коммуникаций [39,40].
Особое внимание в рамках предлагаемого проекта будет уделено нано-гетероструктурам тройных соединений III-V, выращиваемым методом селективной эпитаксии на различных поверхностях с диэлектрическими масками (например, SiOx/GaAs или SiOx/Si). Суть метода состоит в том, рост на поверхности инертной макси отсутствует, и выращиваемая структура повторяет геометрию, заданную архитектурой литографически подготовленного темплейта. Архитектура темплейтов может быть различной - от длинных одномерных полосков (канавок) для наномембран или планарных ННК с заданным расстоянием (шагом) и шириной [41-47] до двумерного массива отверстий для вертикальных ННК с заданным шагом и диаметром [48,49]. Возможны и более сложные архитектуры, состоящие из комбинаций канавок и отверстий, выращивание одномерных InxGa1-xAs ННК на наномембранах GaAs [43,45] и т.д. Гибридные нано-гетероструктуры, полученные методом селективной эпитаксии, имеют широкие перспективы применений в наноэлектронике [44] и оптоэлектронике [42,47], интегрированными с кремниевой платформой, а также в фундаментальных и прикладных исследованиях низкотемпературного квантового транспорта [43], включая поиск фермионов Майораны [45]. Тройные соединения III-V, выращиваемые методом селективной эпитаксии, выращиваются в отсутствие жидкой фазы. Однако кинетика их роста и, соответственно, состав и профили гетероструктур существенно отличаются от планарных аналогов. Это объясняется рядом эффектов, связанных с различиями в характере диффузии по различным граням наноструктуры, материальным обменом с поверхностью маски и обнаруженным недавно в GaAs наномембранах [46] и вертикальных ННК [49] эффектом смены направления диффузионного потока адатомов группы III с поверхности наноструктуры на поверхность маски. Как теория, так и методы синтеза нано-гетероструктур тройных соединений III-V с широкой областью изменения состава еще недостаточно развиты. При выполнении проекта будет использоваться общая теория диффузионного роста III-V наномембран при селективной эпитаксии, опубликованная нами в 2023 г. в работе [50].
Предлагаемые методы и подходы, общий план работ на весь срок выполнения проекта: 1) Моделирование процессов эпитаксиального синтеза, морфологии, кристаллической фазы, состава, ширины гетеро-интерфейсов, оптических и транспортных свойств в III-V ННК, выращиваемых по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК), будет производится на основе оригинальных подходах, разработанных исполнителями проекта под руководством его руководителя - В. Г. Дубровского, которые широко используются мировым научным сообществом для управления свойствами ННК за счет контролируемого изменения параметров эпитаксиального процесса. Это подтверждается сотрудничеством лаборатории физики полупроводниковых наноструктур с более чем 40 научными организациями в 22 стране, подтвержденным совместными публикациями. В частности, будет использоваться теория нуклеации нано-островков из малых объемов капли с учетом размерных эффектов, которые в ряде случаев позволяют синтезировать ансамбли III-V ННК с весьма узкими распределениями по длине и диаметру. Моделирование роста ННК будет производиться на основе диффузионных транспортных уравнений для адатомов элемента группы III с учетом ре-эмиссии последних, а также десорбции атомов элемента группы V для различного типа подложек (адсорбирующие и отражающие, к последним относятся подложки Si(111) с оксидной маской). Будет использоваться установленная нами ранее зависимость кристаллической фазы GaAs, GaP и других III-V ННК (кубическая типа цинковой обманки - ZB или гексагональная вюрцитная - WZ) от контактного угла капли, который может управляться соотношением потоков V/III или температурой. Моделирование состава ННК тройных соединений III-V и III-N ННК (и профилей состава в гетероструктурах различного типа (осевых, радиальных, комбинированных - типа "квантовая точка в ННК") будет производиться на основе кинетической теории роста наноструктур тройных соединений III-V (например, InGaAs) из тройных (In-Ga-As) или четверных (Au-In-Ga-As) жидких растворов в капле с учетом конкуренции ростовой кинетики и термодинамики. Химические потенциалы твердых и жидких растворов будут рассчитываться в приближении регулярных растворов или с учетом поправок высших порядков (полиномы Редлиха-Кистера) с константами взаимодействий и химическими потенциалами бинарных кристаллов и чистых жидкостей из термодинамической базы данных CALPHAD. Расчеты уровней легирования GaAs и других III-V ННК, выращиваемых различными эпитаксиальными методами (МПЭ, хлорид-гидридная газофазная эпитаксия, МОС-гидридная газовазная эпитаксия) будут проводится на основе разработанной исполнителями проекта кинетической модели легирования при ПЖК роста, которая учитывает малую концентрацию высоко-летучих атомов элемента группы V (As, P), растворенных в капле. Это позволило, в частности, объяснить удивительный эффект p-типа Si легирования GaAs ННК при МПЭ, несмотря на то, что Si является стандартной легирующей примесью n-типа при роста планарных слоев GaAs в большинстве установок МПЭ. Будет также использована теория формирования модулированных по диаметру GaAs и GaP ННК в геометрии twinning superlasttice (TSL) ННК, ограниченных наклонными боковыми фасетками (111)A и (111)B, возникающих за счет изменения поверхностных энергий при легировании. Особое внимание в рамках предлагаемого проекта будет уделено моделированию процессов роста различных III-V наноструктур (вертикальных ННК, планарных ННК, нано-мембран, нано-флагов и их комбинаций) при селективном росте на поверхностях Si с оксидными масками. Ранее нами был получен ряд результатов принципиального характера, включая возможное изменение направления диффузионного потока Ga из отверстий или одномерных полосков на поверхность маски (что принципиально меняет зависимость скорости роста от размера отверстий и расстояния между ними), расчеты зон селективного роста как функции потоков и температуры, а также построенную в самое последнее время детальную теорию диффузионного селективного роста наномембран и кинетическую теорию формирования и состава тройных наноструктур III-V при селективной эпитаксии. 2) Синтез III-V и III-N ННК на различных подложках, включая подложки Si и гибридные подложки SiC/Si будет производиться методом МПЭ. Гетероструктуры различного типа в ННК будут создаваться путем переключения потоков и изменения температуры (в основном, для получения радиальных гетероструктур на основе III-V и III-N ННК). Будет также использоваться механизм спонтанного формирования радиальных гетероструктур в AlGaAs ННК с повышенной концентрацией AlAs в оболочке. Будут использоваться различные механизмы роста III-V и III-N ННК и гетероструктур на основе таких ННК - каталитический рост по механизму ПЖК с каплями различных металлов (Au или металлы III группы при автокаталитическом росте ПЖК), или селективный рост в отсутствие металлического катализатора. Часть образцов с ННК будут синтезироваться на поверхностях SiOx/Si с массивами отверстий в оксидной маске, создаваемых различными методами (например, с помощью микросферной литографии). Будут использованы разработанные ранее методы детектирования и манипулирования квантовым излучением (одиночными фотонами), измерения авто-корреляционной функции излучения, подстройки однофотонного излучения от квантовых точек в матрице более широкозонных III-V ННК (например, GaAs в матрице AlGaAs ННК) к атомным резонансам с лазерным излучением. Гетероструктуры, основанные на чередовании кристаллических фаз WZ/ZB в GaAs ННК будут создаваться за счет изменения контактного угла капли Ga на вершине автокаталитических GaAs ННК. На основании результатов многочисленных экспериментов и моделирования, наилучшим для фазового перехода WZ/ZB в GaAs ННК является критический контактный угол капли, равный 125 градусам. При меньших углах формируется фаза WZ, а при больших (но не более 130 градусов) - фаза ZB, при сохранении постоянного радиуса ННК, что соответствует минимальной эффективной поверхностной энергии ростового интерфейса. Будут продолжены работы по in situ диагностике роста, элементного состава, морфологии и кристаллической фазы при МПЭ росте III-V ННК внутри ПЭМ NanoMax (в рамках международного сотрудничества с университетом Paris Saclay, Франция). Синтез планарных III-V ННК, наномембран и нано-гетероструктур более сложной архитектуры и состава, включая гибридные нано-гетеростурктуры Si,Ge/III-V, будет производиться методом МПЭ на подложках SiOx/Si(111) с массивами полосков или темплейтов более сложной геометрии, которые будут создаваться методами электронной литографии. Для экспериментальных работ по синтезу III-V ННК и других нано-гетероструктур будут использоваться установки МПЭ Riber 12 и Riber Compact 21 с специальной камерой металлизации, вакуумно совмещенной с ростовой камерой. Структурная диагностика будет осуществляться методами растровой электронной микроскопии (РЕМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), в том числе, ПЭМ высокого разрешения, оптическая диагностика - методом фотолюминесценции (ФЛ), в том числе, с локальным и временным разрешением. Для химического анализа состава и профилей гетероструктур будут использоваться методы энерго-разрешенной рентгеновской спектроскопии (EDX) и ПЭМ высокого разрешения в сканирующей моде.3) Для синтеза гибридных подложек SiC/Si с управляемым политипизмом будет использоваться разработанная лабораторией проф. С. А. Кукушкина методика роста SiC на модифицированном пористом кремнии ориентации (111) с использованием химической реакции 2Si+ CO = SiC +SiO. Такие подложки имеют пониженную плотность структурных дефектов и чрезвычайно перспективны для последующего роста светоизлучающих структур на основе соединений III-N. Для роста планарных слоев будет использован новый метод выращивания толстых низко-дефектных слоев GaN на основе гибридной подложки нового типа и различные методы его переноса на другие подложки. 4) Приборные нано-гетероструктуры на основе III-V ННК и III-N ННК, планарных III-V ННК и нано-мембран, а также гибридных структур более сложной архитектуры (скрещенные ННК, гетероструктурные нано-мембраны с планарными ННК на вершине и т.д.) будут создаваться: - На основе упорядоченных массивов вертикальных III-V и III-N ННК с гетероструктурами различного типа (осевые, радиальные, комбинированные - типа одиночной квантовой точки в широкозонной матрице ННК) на процессированных подложках SiOx/Si(111) или гибридных подложках SiC/Si(111) с максимальной степенью упорядоченности по длине и диаметру. Такие структуры будут использоваться для светодиодов на основе InGaN/GaN и GaN/AlGaN ННК, ИК фотодетекторов на основе Be-легированных InAs ННК и т.д. - На основе одиночных вертикальных III-V ННК с квантовыми точками для источников одиночных фотонов и манипулирования состояниями квантового излучения с использованием локального возбуждения ФЛ с одиночного ННК. - На основе одиночных III-V и III-N ННК, отделенных от подложки. - На основе планарных III-V ННК, наномембран и их комбинаций с различными типами гетероструктур, выращенных методом МПЭ по механизму селективной эпитаксии, в том числе, на подложках SiOx/Si(111). Эти структуры будут использоваться для оптоэлектронных устройств различного типа, а также для исследований низкотемпературного квантового транспорта (в том числе, в рамках международного сотрудничества с EPFL Lausanne, Швейцария). - Процессирование и приборная функционализация нано-гетероструктур на основе III-N ННК и гибридных наноструктур, состоящих из III-N ННК на мембранах, трехмерных островках III-нитридов, скрещенных ННК и т.д. для химических сенсоров будет производится в рамках международного сотрудничества с DUT, Китай. Основные технологические шаги будут включать: диспергирование ННК на подложку (обычно, химический газовый сенсор будет состоять из 8-12 ННК, нанесенных на подложку), нанесение омических контактов, осаждение газов, например, NO2, или газов, содержащих тяжелые ионы металлов, измерение вольт-амперных характеристик до и после осаждения, и определение предела чувствительности сенсора. Общий план работ на весь срок выполнения проекта: 2025 год:- Теоретические исследования процессов эпитаксиального роста нано-гетероструктур III-V и III-N в различных технологиях и на различных подложках, включая рост ННК по механизму пар-жидкость-кристалл и селективную эпитаксию ННК и наномембран на процессированных подложках с массивами отверстий или канавок в диэлектрической маске SiOx или SiNx. Моделирование диффузионных процессов и моноцентрической нуклеации на верхней грани структур в зависимости от их геометрии и типа граней. Создание полностью самосогласованных моделей роста, дающий высоту и радиус (толщину) структуры в зависимости от времени, геометрии темплейта, размера капли и параметров эпитаксиального процесса (температура и соотношение потоков V/III). - Экспериментальные исследования процессов роста III-V и III-N ННК и III-V наномембран методом МПЭ. Разработка методик формирования заданной морфологии и кристаллической фазы данных наноструктур за счет оптимизации параметров эпитаксиального процесса. Диагностика структурных и оптических свойств полученных наноструктур методами РЭМ, ПЭМ, ФЛ. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования. Сравнение результатом моделирования с результатами экспериментов по МОС-гидридному росту GaAs ННК и наномембранам методом селективной эпитаксии (в частности, в рамках международного сотрудничества с EPFL Lausanne). - Моделирование стационарного состава тройных соединений III-V в различных системах, включая InGaAs, AlGaAs, InGaN, InAsP, GaAsP, InAsSb, AlAsSb. Теоретические исследования стационарных распределений газ-кристалл и жидкость-кристалл в тройных III-V ННК, выращиваемых по механизму ПЖК. Разработка моделей и методов подавления термодинамически запрещенных областей по составу в системах с большим рассогласованием решеток (InGaAs, InGaN и др.). Разработка теоретических моделей профилей состава в осевых гетероструктурах на основе III-V ННК и методов получения резких гетерограниц в различных эпитаксиальных технологиях. - Ростовые эксперименты МПЭ по выращиванию ННК тройных соединений III-V и III-N и гетероструктур на их основе при различных условиях (температура, соотношение потоков и т.д.). Исследование морфологии, кристаллической фазы и состава тройных III-V ННК и гетероструктур на их основе методом EDX и ПЭМ высокого разрешения в сканирующей моде. Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами моделирования.- Экспериментальные и теоретические исследования процессов легирования III-V ННК различными примесями (Si, Be, Te), профилей легирования, амфотерического поведения Si в GaAs ННК, выращиваемых по механизму ПЖК различными методами. Исследования морфологических изменений в III-V ННК в процессе легирования, включая образование структур TSL (twinning superlattice). - Исследования методами оптической спектроскопии (ФЛ, включая ФЛ с локальным и временным разрешением, рамановская спектроскопия и т.д.) нано-гетероструктур различного состава, морфологии и кристаллической фазы. - Теоретические и экспериментальные исследования процессов эпитаксиального роста III-V и III-V нано-гетероструктур различного типа (вертикальные ННК, планарные ННК, наномембраны и т.д.) и состава на рассогласованных подложках кремния. Разработка методов подавления дислокаций несоответствия для интеграции III-V оптоэлектроники с кремниевой электронной платформой. 2026 год: - Продолжение исследований по всем направлениям 2025 года. - Исследования механизмов роста и состава тройных III-V ННК и гетероструктур на основе таких ННК с использованием in situ диагностики роста внутри ПЭМ NanoMax с атомным разрешением (в рамках международного сотрудничества в Университетом Paris Saclay). - Теоретические и экспериментальные исследования эффектов спонтанного формирования гетероструктур, основанных на чередовании кристаллических фаз WZ/ZB в тонких (порядка 10 нм в диаметре) GaAs ННК, легированных Te.- Экспериментальные и теоретические исследования механизмов подавления роста III-V и III-N ННК, III-V наномембран и других наноструктур при МПЭ и газофазной эпитаксии при высоких значениях соотношения потоков V/III, связанные с пассивацией верхней грани ННК (например, грани (111)B для кубических III-V ННК), а также изменением направления диффузионного потока на боковых поверхностях при малой скорости нуклеации на боковой поверхности. - Теоретические и экспериментальные исследования процессов моноцентрической нуклеации в ННК, выращиваемых по механизму ПЖК с каплей катализатора на вершине, а также в ННК и наномембранах, выращиваемых по механизму селективной эпитаксии, в особенности - положения критического зародыша (по всей верней грани, по ее периметру или в углах) в зависимости от параметров ростового процесса и типа граней наноструктуры. - Разработка воспроизводимой методики эпитаксиального выращивания InxGa1-xN наногетероструктур на основе ННК с широкой областью изменения по составу x для RGB светодиодов на поверхностях Si и гибридных подложках SiC/Si. - Теоретические и экспериментальные исследования возможностей контроля роста GaN ННК в зависимости от типа подложки, механизма роста и условий эпитаксиального процесса МПЭ или газофазной эпитаксии. Исследование режимов, приводящих к возникновению ННК, растущих в различных направлениях, и формирования самопересечений в ансамблях ННК, для их последующего использования в газовых сенсорах. Будут проведены работы по процессированию и функционализации структур с III-N ННК для их использования в качестве химических сенсоров для различных приложений. - Теоретические и экспериментальные исследования роста методом селективной МПЭ, морфологии и кристаллической структуры планарных III-V ННК и наномембран на различных подложках, включая процессированные подложки SiOx/Si, для оптоэлектронных приложений и исследований низкотемпературного квантового транспорта. - Экспериментальные и теоретические исследования структур типа КТ в ННК (например, GaAs КТ в AlGaAs ННК) для однофотонных излучателей. Исследования пост-ростовых факторов, влияющие на усиление сигнала ФЛ в системе «КТ и/или квантовая яма в матрице III-V ННК».2027 год: - Создание принципиально новых моделей и методик расчета для оптимизации процессов эпитаксиального синтеза в различных технологиях (МПЭ, различные варианты газофазной эпитаксии) нано-гетероструктур на основе III-V ННК, выращиваемых по механизму ПЖК с контролируемыми свойствами (морфология, кристаллическая фаза, состав, узкие гетероинтерфейсы и т.д.) для оптоэлектроники. - Создание принципиально новых моделей и методик расчета для оптимизации процессов эпитаксиального синтеза в различных технологиях (МПЭ, различные варианты газофазной эпитаксии) нано-гетероструктур на основе III-V ННК и III-N ННК, III-V нано-мембран и гибридных структур более сложной геометрии, выращиваемых по механизму селективной эпитаксии с контролируемыми свойствами (морфология, кристаллическая фаза, состав, узкие гетероинтерфейсы и т.д.) для оптоэлектроники, совмещенной с кремниевой электронной платформой, и исследований низкотемпературного квантового транспорта. - Продолжение работ по моделированию, синтеу, структурной и оптической диагностики, химическому анализу, и пост-ростовой обработки нано-гетероструктур III-V и III-N для приложений в оптоэлектронике и наноэлектронике. - Исследования светодиодных структур на основе InxGa1-xN ННК для RGB светодиодов на поверхностях Si и гибридных подложках SiC/Si. - Исследования нано-гетероструктур на основе планарных III-V ННК и наномембран на различных подложках, включая процессированные подложки SiOx/Si, для оптоэлектронных приложений и исследований низкотемпературного квантового транспорта (частично в рамках международного сотрудничества с EPFL Lausanne). - Исследования по синтезу методом МПЭ массивов InAs ННК, легированных Be, на подложках Si, и их процессирования для ИК фотодетекторов, и продемонстрированы характеристики фотодетекторов на основе указанных структур. - Оптимизация дизайна источников одиночных фотонов для систем материалов типа «квантовая точка и/или квантовая яма в матрице III-V ННК» с учетом ростовых и постростовых технологий. Разработка методики ввода излучения из структур на основе материалов типа «квантовая точка и/или квантовая яма в матрице III-V ННК» в волноводные структуры на основе твердотельных и волоконных технологий для оптимизированных источников одиночных фотонов. - Продолжение работ по процессированию и функционализации структур с GaN ННК, гетероструктурами на основе таких ННК и гибридными нано-гетероструктурами на основе GaN для их использования в качестве химических сенсоров, изготовлены структуры для химических сенсоров на основе III-N ННК и продемонстрированы их характеристики, а также проведено сравнение с существующими аналогами (совместно с DUT). - Теоретические и экспериментальные исследования по управлению кристаллической фазой III-V ННК за счет контролируемого изменения контактного угла капли, разработка методов синтеза и исследование оптических свойств гетероструктур WZ/ZB в ННК.
Литература:
[1] M. B. Panish and M. Ilegams, Progress in solid state chemistry, v. 7, Pergamon Press, New York, 1972.
[2] C.-Z. Ning, L. Dou, and P. Yang, Bandgap engineering in semiconductor alloy nanomaterials with widely tunable compositions, Nat. Rev. Mater. 2, 17070 (2017).
[3] K. Kaiiyama, Vapor pressure dependence of the relative composition of IlI-V mixed crystals in vapor phase epitaxy, J. Electrochem. Soc. I23, 423 (1976).
[4] Y. Kumagai, J. Kikuchi, Y. Matsuo, Y. Kanagawa, K. Tanaka, A. Koukitu, Thermodynamic analysis of InN and InxGa1−xN MOVPE using various nitrogen sources. J. Cryst. Growth 272, 341 (2004).
[5] L. Samuelson, P. Omling, and H. G. Grimmeiss, Alloying mechanisms in MOVPE GaAs1-xPx. J. Cryst. Growth 61, 425 (1983).
[6] R. M. Biefeld, The preparation of InSb and InAs1−xSbx by metalorganic chemical vapor deposition, J. Cryst. Growth 75, 255 (1986).
[7] W.-K. Chen and M.-T. Chin, Influence of thermodynamic factors on growth of AlAs1-xSbx Alloys, Jpn. J. Appl. Phys. 33, 1370-1373 (1994).
[8] B. W. Liang and C. W. Tu, A kinetic model for As and P incorporation behaviors in GaAsP grown by gas-source molecular beam epitaxy, J. Appl. Phys. 74, 255 (1993).
[9] A. Y. Egorov, A. R. Kovsh, V. M. Ustinov, A. E. Zhukov, P. S. Kop’ev, and C. W. Tu, A thermodynamic analysis of the growth of III-V compounds with two volatile group V elements by molecular-beam epitaxy, J. Cryst. Growth 188, 69 (1998).
[10] L. C. Chuang, M. Moewe, M. C. Chase, N. P. Kobayashi, C. Chang-Hasnain, and S. Crankshaw, Critical diameters for III-V nanowires grown on lattice-mismatched substrates. Appl. Phys. Lett. 90, 043115 (2007).
[11] F. Glas, Critical dimensions for the plastic relaxation of strained axial heterostructures in free-standing nanowires. Phys. Rev. B 74, 121302 (R) (2006).
[12] J. K. Hyun, S. Zhang, and L. J. Lauhon, Nanowire heterostructures, Ann. Rev. Mater. Research 43, 451 (2013).
[13] G. Boras, X. Yu, and H Liu, III–V ternary nanowires on Si substrates: growth, characterization and device applications, J. Semicond. 40, 101301 (2019).
[14] F. Martelli, III-V ternary nanowires, in: Advances in III-V Semiconductor Nanowires and Nanodevices, ed. J. Li, D. Wang, and R. R. LaPierre, pp. 105-128 (2019), doi: 10.2174/978160805052911101010105.
[15] P. C. McIntyre and A. Fontcuberta i Morral, Semiconductor nanowires: to grow or not to grow? Mater. Today Nano 9, 100058 (2020).
[16] V. G. Dubrovskii and F. Glas, Vapor–liquid–solid growth of semiconductor nanowires, In: N. Fukata, R. Rurali (eds) Fundamental Properties of Semiconductor Nanowires. Springer, Singapore, 2020, doi: 10.1007/978-981-15-9050-4_1.
[17] E. Roche, Y. André, G. Avit, C. Bougerol, D. Castelluci, F. Réveret, E. Gil, F. Médard, J. Leymarie, T. Jean, V. G. Dubrovskii, and A. Trassoudain, Circumventing the miscibility gap in InGaN nanowires emitting from blue to red, Nanotechnology 29, 465602 (2018).
[18] C. S. Jung, H. S. Kim, G. B. Jung, K. J. Gong, Y. I. Cho, S. Y. Jang, C. H. Kim, C. Lee, and J. Park, Composition and phase tuned InGaAs alloy nanowires, J. Phys. Chem. 115, 7843 (2011).
[19] J. Wu, M. Borg, D. Jacobsson, K. A. Dick, and L. E. Wernersson, Control of composition and morphology in InGaAs nanowires grown by metalorganic vapor phase epitaxy, J. Cryst. Growth 383, 158 (2013).
[20] R. Sjokvist, D. Jacobsson, M. Tornberg, R. Wallenberg, E. D. Leshchenko, J. Johansson, and K. A. Dick, Compositional correlation between the nanoparticle and the growing Au-assisted InxGa1-xAs nanowire, J. Phys. Chem. Lett. 12, 7590 (2021).
[21] V. G. Dubrovskii, I. V. Shtrom, R. R. Reznik, Yu. B. Samsonenko, A. I. Khrebtov, I. P. Soshnikov, S. Rouvimov, N. Akopian, T. Kasama, G. E. Cirlin. Origin of spontaneous core-shell AlGaAs nanowires grown by molecular beam epitaxy, Cryst. Growth Des. 16, 7251 (2016).
[22] A. I. Persson, M. T. Bjork, S. Jeppesen, J. B. Wagner, L. R. Wallenberg, and L. Samuelson, InAs1-xPx nanowires for device engineering, Nano Lett. 6, 403 (2006).
[23] B. M. Borg, K. A. Dick, J. Eymery, and L.-E. Wernersson, Enhanced Sb incorporation in InAsSb nanowires grown by metalorganic vapor phase epitaxy, Appl. Phys. Lett. 98, 113104 (2011).
[24] Y. Zhang, M. Aagesen, J. V. Holm, H. I. Jørgensen, J. Wu, and H. Liu, Self-catalyzed GaAsP nanowires grown on silicon substrates by solid-source molecular beam epitaxy, Nano Lett. 13, 3897 (2013).
[25] A. D. Bolshakov, V. V. Fedorov, N. V. Sibirev, M. V. Fetisova, E. I. Moiseev, N. V. Kryzhanovskaya, O. Yu. Koval, E. V. Ubyivovk, A. M. Mozharov, G. E. Cirlin, and I. S. Mukhin, Growth and characterization of GaP/GaPAs nanowire heterostructures with controllable composition, Phys. Stat. Sol. RRL 13, 1900350 (2019).
[26] W. Metaferia, A. R. Persson, K. Mergenthaler, F. Yang, W. Zhang, A. Yartsev, R. Wallenberg, M.-E. Pistol, K. Deppert, L. Samuelson, and M. H. Magnusson, GaAsP nanowires grown by aerotaxy, Nano Lett. 16, 5701 (2016).
[27] M. Ghasemi, E. D. Leshchenko, and J. Johansson, Assembling your nanowire: an overview of composition tuning in ternary III–V nanowires, Nanotechnology 32, 072001 (2021).
[28] E. D. Leshchenko and V. G. Dubrovskii, An overview of modeling approaches for compositional control in III–V ternary nanowires, Nanomaterials 13, 1659 (2023).
[29] F. Glas, Comparison of modeling strategies for the growth of heterostructures in III–V nanowires, Cryst. Growth Des. 17, 4785 (2017).
[30] V. G. Dubrovskii, A. A. Koryakin, and N. V. Sibirev, Understanding the composition of ternary III-V nanowires and axial nanowire heterostructures in nucleation-limited regime, Mat. Design 132, 400 (2017).
[31] E. D. Leshchenko, M. Ghasemi, V. G. Dubrovskii, and J. Johansson, Nucleation-limited composition of ternary III-V nanowires forming from quaternary gold based liquid alloys, CrystEngComm 20, 1649 (2018).
[32] J. Johansson and M. Ghasemi, Kinetically limited composition of ternary III-V nanowires, Phys. Rev. Materials 1, 040401(R) (2017).
[33] E. D. Leshchenko and V. G. Dubrovskii, Kinetic modeling of interfacial abruptness in axial nanowire heterostructures, Nanotechnology 34, 065602 (2023).
[34] V. G. Dubrovskii and E. D. Leshchenko, Kinetically controlled composition of III-V ternary nanostructures, Phys. Rev. Materials 7, 056001 (2023).
[35] V. G. Dubrovskii and E. D. Leshchenko, Composition of III-V ternary materials under arbitrary material fluxes: the general approach unifying kinetics and thermodynamics, Phys. Rev. Materials 7, 074603 (2023).
[36] V. G. Dubrovskii, Liquid-solid and vapor-solid distributions of vapor-liquid-solid III-V ternary nanowires, Phys. Rev. Materials 7, 096001 (2023).
[37] G. Priante, F. Glas, G. Patriarche, K. Pantzas, F. Oehler, and J. C. Harmand, Sharpening the interfaces of axial heterostructures in self-catalyzed AlGaAs nanowires: experiment and theory Nano Lett. 16, 1917 (2016).
[38] V. Zannier, F. Rossi, V. G. Dubrovskii, D. Ercolani, S. Battiato, and L. Sorba, Nanoparticle stability in axial InAs−InP nanowire heterostructures with atomically sharp interfaces, Nano Lett. 18, 167 (2018).
[39] L. Leandro, C. P. Gunnarsson, R. Reznik, K. D. Jöns, I. Shtrom, A. Khrebtov, T. Kasama, V. Zwiller, G. Cirlin, and N. Akopian. Nanowire quantum dots tuned to atomic resonances. Nano Lett. 2018, v. 18, p. 7217-7221.
[40] L. Leandro, J. Hastrup, R. Reznik, G. Cirlin, N. Akopian. Resonant excitation of nanowire quantum dots. NPJ Quantum information 2020, v. 6, p. 93.
[41] C.-Y. Chi, C.-C. Chang, S. Hu, T.-W. Yeh, S. B. Cronin, and P. D. Dapkus, Twin-free GaAs nanosheets by selective area growth: Implications for defect-free nanostructures, Nano Lett. 13, 2506 (2013).
[42] G. Tutuncuoglu, M. de la Mata, D. Deiana, H. Potts, F. Matteini, J. Arbiol, and A. Fontcuberta i Morral, Towards defect-free 1-D GaAs/AlGaAs heterostructures based on GaAs nanomembranes, Nanoscale 7, 19453 (2015).
[43] P. Aseev, A. Fursina, F. Boekhout, F. Krizek, J. E. Sestoft, F. Borsoi, S. Heedt, G. Wang, L. Binci, S. Martí-Sánchez, T. Swoboda, R. Koops, E. Uccelli, J. Arbiol, P. Krogstrup, L. P. Kouwenhoven, and P. Caroff, Selectivity map for molecular beam epitaxy of advanced III-V quantum nanowire networks. Nano Lett. 19, 218 (2019).
[44] H. Schmid, M. Borg, K. Moselund, L. Gignac, C. M. Breslin, J. Bruley, D. Cutaia, and H. Riel, Template-assisted selective epitaxy of III–V nanoscale devices for co-planar heterogeneous integration with Si, Appl. Phys. Lett. 106, 233101 (2015).
[45] M. Friedl, K. Cerveny, P. Weigele, G. Tütüncüoglu, S. Marti-Sanchez, C. Huang, T. Patlatiuk, H. Potts, Z. Sun, M. O. Hill, L. Güniat, W. Kim, M. Zamani, V. G. Dubrovskii, J. Arbiol, L. J. Lauhon, D. M. Zumbühl, and A. Fontcuberta i Morral, Template-assisted scalable nanowire networks, Nano Lett. 18, 2666 (2018).
[46] D. Dede, F. Glas, V. Piazza, N. Morgan, M. Friedl, L. Guniat, E. Nur Dayi, A. Balgarkashi, V. G. Dubrovski, and A. Fontcuberta i Morral, Selective area epitaxy of GaAs: the unintuitive role of feature size and pitch, Nanotechnology 33, 48560 (2022)
[47] N. Morgan, V. G. Dubrovskii, A.-K. Stief, D. Dede, M. Sanglé-Ferriere, A. Rudra, V. Piazza, and A. Fontcuberta i Morral, From layer-by-layer growth to nanoridge formation: Selective area epitaxy of GaAs by MOVPE , Cryst. Growth Des. 23, 5083 (2023).
[48] V. O. Gridchin, L. N. Dvoretckaia, K. P. Kotlyar, R. R. Reznik, A. V. Parfeneva, A. S. Dragunova, N. V. Kryzhanovskaya, V. G. Dubrovskii, and G. E. Cirlin, Selective area epitaxy of GaN nanowires on Si substrates using microsphere lithography: Experiment and theory, Nanomaterials 12, 2341 (2022).
[49] E. Chereau, V. G. Dubrovskii, G. Grégoire, G. Avit, P. Staudinger, H. Schmid, C. Bougerol, P.-M. Coulon, P. A. Shields, A. Trassoudaine, E. Gil, R. R. LaPierre, and Y. André, Importance of As and Ga balance in achieving long GaAs nanowires by selective area epitaxy, Cryst. Growth Des. 23, 4401 (2023).
[50] V. G. Dubrovskii, Theory of diffusion-induced selective area growth of III-V nanostructures, Phys. Rev. Materials 7, 026001 (2023).
Имеющийся у коллектива научный задел по тематике проекта: Научный коллектив исполнителей проекта под руководством В. Г. Дубровского (h-индекс = 49 согласно WoS и Scopus; 350 статей, индексированных WoS, 22 из которых в Nano Letters, одна - в PNAS, одна - в ACS Nano, одна - в Nature Communications, одна - в Phys. Rev. Letters, 3 - в Nanoscale, одна - в J. Phys. Chem. Letters, 6 - в J. Phys. Chem., 16 - в Phys. Rev. B, 5 - в Appl. Phys. Letters, 20 - в Cryst. Growth Des., 8 - в Phys. Rev. Materials и т.д. ) является мировым лидером в области моделирования роста, состава, геометрии, кристаллической фазы и физических свойств ННК и других наноструктур тройных полупроводниковых соединений III-V. Проводится подтвержденное совместными публикациями сотрудничество с более чем 40 лабораториями в 21 стране мира. Руководитель проекта является автором кинетической теории роста ННК, которая широко используется для исследований роста и оптимизации свойств III-V ННК, в том числе, тройных соединений III-V, выращиваемых по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) из капель катализатора тройных и четверных жидких растворов (например, In-Ga-As-Au) [1,2]. Российская научная группа впервые в мире использовала теорию нуклеации в моделировании роста ННК и предложила ряд модификаций теории в случае моно-центрического роста на ограниченных поверхностях [3]. Были предложены модели роста III-V и III-N ННК различного состава на рассогласованных по параметру решетки поверхностях кремния и даны критические размеры для когерентного роста ННК без образования дислокаций несоответствия [4]. Совместно с Ф. Гласом и др., была разработана исторически первая модель политипизма и формирования вюрцитной кристаллической фазы в GaAs и других III-V ННК [5]. Было проведено моделирование роста и состава наноструктур тройных соединений III-V и III-N в различных системах материалов и гетероструктур различного типа (осевые, радиальные, комбинированные) на основе ННК тройных соединений III-V [6-8]. Была проведена оптимизация процессов эпитаксиального синтеза для получения атомарно-гладких осевых гетероинтерфейсов InP/InAs/InP и других III-V ННК [9]. Была разработана методика выращивания InGaN наноструктур с составом по InN от до 90% и подавления термодинамической области несмешивания (miscibility gap) данных материалов, что позволило перекрыть весь видимый диапазон электромагнитного излучения [8,10]. Были получены новые результаты по механизмам легирования III-V ННК различными примесями (Si, Be, Te), а также зависимости морфологии нано-гетероструктур III-V от легирования [11-13]. Был разработан и реализован метод управления кристаллической фазой GaAs ННК и создания гетероструктур на основании чередования фаз WZ/ZB за счет изменения контактного угла капли Ga [14]. Были теоретически предсказаны, экспериментально обнаружены и исследованы новые эффекты фундаментального характера, связанные с ограниченным количеством атомов элемента группы V в капле при нуклеации островка (временная анти-корреляция событий нуклеации, сужение функции распределения ННК по длине до суб-Пуассоновских значений, эффект остановки роста двумерного островка и его влияние на состав тройных III-V ННК и т.д.) [15-17]. В 2023 году В. Г. Дубровским и соавторами был опубликован цикл теоретических работ [18-22] (см. также обзор [23]), лежащих в основе предлагаемого проекта. Был получен ряд новых результатов фундаментального характера, которые определяют лидирующие позиции научного коллектива исполнителей проекта в области теории управления составом наноматериалов тройных соединений III-V в мире. Была построена кинетическая теория диффузионного роста III-V наноструктур различных геометрий (планарных ННК, наномембран, трехмерных островков, вертикальных ННК и т.д.) при селективной эпитаксии на маскированных подложках различной ориентации, в том числе, на подложках SiOx/Si, которая позволяет проводить расчеты и оптимизацию морфологии наноструктур в зависимости от геометрии темплейта и условий эпитаксиального роста [18]. Впервые в мире была построена общая теория формирования материалов и наноструктур тройных соединений III-V, основанных на смешении элементов III (InGaAs, InGaN, AlGaAs и т.д.) и V (InAsP, GaAsP, InAsSb и т.д.) групп. Было строго показано, что диаграмма состава, связывающая состав твердого тела x в соединении AxB1-xC с составом пара z (в дальнейшем - распределение z(x)) является суммой равновесного и кинетического распределений с весами, которые зависят от соотношения потоков (A+B)/C (V/III или III/V, в зависимости от того, атомы какой группы смешиваются в тройном соединении) [19,20]. При больших соотношениях потоков (A+B)/C имеется избыток элементов A и B, что приводит к равновесной диаграмме состава, содержащей области несмешивания в системах с сильным взаимодействием пар - InGaAs, InGaN, AlAsSb, GaAsSb и др. При малых соотношениях потоков (A+B)/C, напротив, рост тройного твердого раствора контролируется поступлением атомов A и B в условиях, обогащенных по C, что дает кинетическую диаграмму с подавлением областей несмешивания. Полученное аналитическое распределение хорошо описывает все имеющиеся экспериментальные данные, как по тонким пленкам InAsSb и AlAsSb, так и по тройным ННК InAsSb, InAsP, GaAsP, InGaAs, AlGaAs и InGaN. Для наиболее сложного случая роста тройных III-V ННК по механизму ПЖК из четверного жидкого раствора в капле выло показано, что диаграмма состава, связывающая состав ННК x с составом жидкой капли y ( в дальнейшем - распределение y(x)) является близким к равновесному при смешении элементов группы III (InGaAs) и кинетически контролируемой при смешении элементов группы V (InAsP) [21,22]. Это объясняется высокой летучестью атомов группы V и их малой (порядка одного процента) концентрацией в капле при росте по механизму ПЖК. Была также решена и более сложная задача - устранение неопределенностей, связанных с принципиально не измеряемыми концентрациями атомов группы V в капле и получены распределения z(x) для тройных III-V ННК с каплей на вершине, основанных на смешении атомов группы III [22] и V. Полученные результаты открывают принципиально новую возможность управлять составом тройных соединений III-V в самых разнообразных наноструктурах за счет изменения соотношения потоков V/III при их росте, подавлять термодинамически запрещенные области несмешивания (например, в InGaN, что актуально для создания RGB светодиодов, высокоэффективных лазеров зеленого диапазона и т.д.) создавать наноматериалы любого состава в системах с большим рассогласованием решеток и управлять, таким образом, шириной запрещенной зоны III-V полупроводников. У научного коллектива имеется огромный опыт (начиная с 2003 г.) выращивания III-V и III-N ННК методом МПЭ. Руководители экспериментальных работ по синтезу полупроводниковых ННК являются д.ф.-м.н., зав. лаб. Г. Э. Цырлин (h-индекс = 35 согласно WoS и Scopus), д.ф.-м.н., зав. лаб. И. С. Мухин (h-индекс = 27 согласно WoS) и к.ф.-м.н., зав. лаб. Р. Р. Резник (h-index = 12 согласно WoS). Одними из первых в мире нами были разрабтаны ростовые технологии и синтезированы GaAs ННК методом МПЭ с Au катализаторами и продемонстрирован диффузионный характер их роста [24]. В 2010 году были синтезированы Ga-каталитические GaAs ННК на подложках Si(111), с чисто кубической кристаллической фазой ZB без структурных дефектов и политипизма [25]. Отсутствие политипизма WZ/ZB в ННК при росте с каплей Ga было объяснено так называемой смачивающей модой роста ПЖК в отличие от случая Au катализатора [26]. Эта идея в дальнейшем получила развитие в работах группы IBM (F. Ross, J. Tersoff) и других групп, и привела к новому пониманию и новому методу управления кристаллической фазой III-V ННК [14]. Был получен ряд новых результатов фундаментального и прикладного характера в области микросферной литографии для подготовки упорядоченных массивов отверстий в оксидном слое SiOx для роста методом МПЭ регулярных массивов III-V и III-N ННК, и синтеза GaN ННК методом селективной эпитаксии [27]. Были разработаны методы синтеза, диагностики и разработаны приборные прототипы на основе гибридных полупроводниковых нано-гетероструктур для светоизлучающих приборов, оптических волноводов, также СВЧ диоды Шоттки на основе одиночных GaN ННК [28-30].В области синтеза и исследования свойств нано-гетероструктур тройных соединений III-V, были проведены экспериментальные исследования состава ННК GaPAs и гетероструктур GaAs/GaPAs ННК. Были продемонстрированы GaPAs ННК с варьируемым в широкой области составом (процентное содержание GaP в GaPAs ННК от 0.3 до 0.9) [31]. Было показано, что распределения z(x) хорошо описываются одно-параметрической формулой Ленгмюра-МакЛина. Был экспериментально установлен и теоретически объяснен эффект спонтанного формирования радиальных гетероструктур в AlGaAs ННК с более высоким процентным составом по AlAs в оболочке [32]. Была проведена оптическая и структурная диагностика AlGaAs ННК и структур с квантовыми точками GaAs в таких ННК, в частности, была продемонстрирована кристаллическая фаза WZ таких ННК с прямозонной структурой [33-35]. На основе квантовых точек GaAs в AlGaAs ННК были созданы структуры для однофотонных излучателей, продемонстрирован спад автокорреляционной функции излучения фотонов до 0.15, и разработаны методы управления однофотонным излучением и резонансного однофотонного излучения на дискретных энергетических уровнях внешнего возбуждающего лазера [36,37]. Таким образом, у коллектива исполнителей имеется огромный опыт и существенные наработки в области моделирования, синтеза, исследования свойств и приборной функционализации сложных полупроводниковых нано-гетероструктур на основе III-V и III-N, в том числе, тройных соединений таких материалов. Развитие имеющихся методов и подходов позволит создать научный задел и фундаментальную основу технологий оптоэлектроники, совмещенной с кремниевой электронной платформой и основанной на новых комбинациях материалов в различных морфологиях, где нано-размеры структуры позволяют не только использовать квантово-размерные эффекты, но и практически полностью подавить образование дислокаций несоответствия и термодинамически запрещенные области по составу, возникающие за счет рассогласования решеток.
Научный коллектив имеет опыт совместной реализации следующих проектов: Проект европейской программы Горизонт 2020 H2020-GA-ITN 2016-INDEED-722176 (2016-2019);Грант РФФИ № 18-02-40006 (2018-2020);Грант РФФИ № 20-52-16301 (2020-2022);Грант РФФИ № 19-52-53031 (2019-2020);Грант РФФИ № 20-02-00351 (2020-2022);Грант РНФ № 19-72-30004, "Фундаментальные исследования и инновационный дизайн оптоэлектронных гетероструктур на основе III-V нитевидных нанокристаллов" (2019-2022);ГЗ СПбГУ "Гетероструктуры на основе нитевидных нанокристаллов полупроводниковых соединений III-V и широкозонных полупроводников: фундаментальные исследования и инновационный дизайн функциональных наноматериалов для оптоэлектроники" (2020-2025). Конкретные научные результаты, полученные коллективом исполнителей за последние 5 лет, включают в себя: 1) Развитие теории нуклеации и роста в применении к нанообъемам, наносистемам и наноструктурам. Результаты исследования особенностей и статистики нуклеации в нанообъемах и на наноповерхностях и их влияния на рост и физические свойства эпитаксиальных наноструктур. В частности, впервые в мире были продемонстрированы рекордно узкие (суб-Пуассоновские) распределения по длине и диаметру GaAs ННК со средней длиной до 5 мкм на подложках кремния [15-17]. 2) Новые модели и методики роста различными эпитаксиальными методами (МПЭ, различные варианты газофазной эпитаксии) ННК тройных соединений III-V и III-N и гетеростуктур в ННК в системах GaAs/AlGaAs, InAs/GaAs, InGaN/GaN, InAs/InP с узкими гетеро-интерфейсами, контролируемым составом, морфологией и кристаллической фазой для различных приложений. Демонстрация однофотонного излучения из квантовых точек (КТ) GaAs в матрице AlGaAs ННК и возможностью манипулирования квантовыми состояниями света [19-23,36,37]. 3) Новый метод контроля кристаллической структуры III-V ННК путем изменения условий эпитаксиального осаждения (соотношения потоков III/V и температуры). Метод синтеза принципиально нового типа квантовых точек в III-V ННК, основанных на чередовании различных кристаллических фаз (кубической и гексагональной) одного материала [14,35]. 4) Результаты фундаментальных исследований процессов легирования III-V ННК примесями, выращиваемых по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) с различными катализаторами роста, примесями Be, Si и Te. Теоретическое объяснение амфотерического эффекта p-типа Si легирования GaAs ННК при МПЭ, которое объясняется малой концентрацией As в капле и, как следствие - преимущественным встраиванием атомов Si в подрешетку As, а не Ga [11-13]. 5) Методы подавления термодинамических областей несмешивания в ННК InGaAs и InGaN, позволившая, в частности, синтезировать InGaN ННК с однородным составом по InN до 60% [8,10,19-23]. 6) Новые методы подготовки упорядоченных массивов отверстий в оксидной слое на поверхности Si(111) методом микросферной литографии, демонстрация однородных по размерам, пространственно-упорядоченных массивов III-V и III-N ННК, методы отделения ННК от подложки и создания приборных структур на основе одиночных ННК. Новые методы селективного роста нано-гетеростурктур III-V сложной архитектуры методом селективной эпитаксии [27]. 7) Результаты исследования механизмов релаксации упругих напряжений в наноструктурах и методов, позволяющих радикально уменьшить количество структурных дефектов в оптически активной области приборных структур [2]. 8) Создание функциональных приборных структур на основе III-V полупроводниковых наноструктур (в том числе, интегрированных с кремнием) для светодиодов, фотоприемников, оптических волноводов, СВЧ диодов Шоттки, источников одиночных фотонов и наносенсоров для газового анализа [28-30,33-38]. Результаты прикладного характера, разработанные и внедренные технологии: 1. Разработана технология МПЭ-роста III-V ННК и гетероструктур на основе таких ННК в широком спектре материалов с максимальной степенью упорядоченности на поверхностях SiOx/Si(111) для совмещенных с кремниевой электронной платформой приборов и устройств оптоэлектроники (лазеров, светодиодов, солнечных элементов, источников одиночных фотонов).2. Разработана методика синтеза InGaN ННК на подложках сапфира и кремния с изменяемым в широких пределах составом, позволяющим перекрыть весь видимый диапазон электромагнитного спектра и создавать RGB- светодиоды на основе нитридных материалов на едином чипе. 3. Разработана новая технология эпитаксиального роста пленок SiC на поверхностях кремния с пониженной плотностью структурных дефектов и управляемым политипизмом методом замещения атомов, для последующего роста слоев GaN и InGaN ННК. Данные результаты подтверждены следующими РИД: - Изобретение "Способ синтеза метастабильных соединений In(Ga)N в нитевидных нанокристалах". Государственная регистрация: 08.06 2020. Номер государственной регистрации: 2019127849. Авторы: Сибирев Н. В., Бердников Ю. С., Дубровский В. Г.- Изобретение "Фоточувствительное устройство и способ его изготовления". Государственная регистрация: 16.04.2019. Номер государственной регистрации: 2016237405. Авторы: Цырлин Г. Э., Осипов А. В., Лукьянов А. В., Сошников И. П., Резник Р. Р., Котляр К. П., Святец Г. В., Кукушкин С. А. - Изобретение "Способ формирования тонких упорядоченных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов без участия стороннего катализатора на подложках кремния»". Государственная регистрация: 16.09.2019. Номер государственной регистрации: 2016566112. Авторы: Резник Р. Р., Сошников И. П., Цырлин Г. Э., Афанасьев Д. Е., Котляр К. П.
Литература: [1] V. G. Dubrovskii. Nucleation theory and growth of nanostructures. Springer, Heidelberg – New York – Dordrecht – London, 2014 (601 p.).[2] V. G. Dubrovskii, F. Glas. Vapor–liquid–solid growth of semiconductor nanowires. In: N. Fukata, R. Rurali (eds) Fundamental Properties of Semiconductor Nanowires. Springer, Singapore, 2020, doi: 10.1007/978-981-15-9050-4_1. [3] V.G. Dubrovskii and N.V. Sibirev. Growth rate of a crystal facet of arbitrary size and the growth kinetics of vertical nanowires. Phys. Rev. E 2004, v. 70, p. 031604.[4] X. Zhang, V. G. Dubrovskii, N. V. Sibirev, and X. Ren, Analytical study of elastic relaxation and plastic deformation in nanostructures on lattice mismatched substrates. Cryst. Growth Des. 2011, v. 11, p. 5441–5448.[5] V. G. Dubrovskii, N. V.Sibirev, J. C. Harmand and F. Glas. Growth kinetics and crystal structure of semiconductor nanowires. Phys. Rev. B 2008, v. 78, p. 235301.[6] V. G. Dubrovskii. Fully analytical description for the composition of ternary vapor-liquid-solid nanowires. Cryst. Growth Des. 2015, v. 15, p. 5738–5743.[7] V. G. Dubrovskii, A. A. Koryakin, N. V. Sibirev. Understanding the composition of ternary III-V nanowires and axial nanowire heterostructures in nucleation-limited regime. Mat. Design 2017, v. 132, p. 400–408.[8] E. Roche, Y. André, G. Avit, C. Bougerol, D. Castelluci, F. Réveret, E. Gil, F. Médard, J. Leymarie, T. Jean, V. G. Dubrovskii, and A. Trassoudain. Circumventing the miscibility gap in InGaN nanowires emitting from blue to red. Nanotechnology 2018, v. 29, p. 465602.[9] V. Zannier, F. Rossi, V. G. Dubrovskii, D. Ercolani, S. Battiato, and L. Sorba. Nanoparticle stability in axial InAs−InP nanowire heterostructures with atomically sharp interfaces. Nano Lett. 2018, v. 18, p. 167–174.[10] M. Zeghouane, G. Avit, Y. André, C. Bougerol, Y. Robin, P. Ferret, D. Castelluci, E. Gil, V. G. Dubrovskii, H. Amano, and A. Trassoudaine. Compositional control of homogeneous InGaN nanowires with the In content up to 90%. Nanotechnology 2019, v. 30, p. 044001.[11] H. Hijazi, G. Monier, E. Gil, A. Trassoudaine, C. Bougerol, C. Leroux, D. Castelluci, C. Robert-Goumet, P. Hoggan, Y. André, N. I. Goktas, R. R. LaPierre, and V. G. Dubrovskii. Si doping of vapor-liquid-solid GaAs nanowires: n-type or p-type? Nano Lett. 2019 , v. 19, p. 4498-4504.[12] E. N. T. Diak, A. Thomas, V. G. Dubrovskii, and R. R. LaPierre. Ultrathin Te-Doped GaP nanoantenna with crystal phase transitions. Cryst. Growth Des. 2023, v. 23, p. 5074.[13] A. Ghukasyan, N. I. Goktas, V. G. Dubrovskii, and R. R. LaPierre. Phase diagram for twinning superlattice Te-doped GaAs nanowires. Nano Lett. 2022, v. 22, p. 1345-1349.[14] F. Panciera, Z. Baraissov, G. Patriarche, V. G. Dubrovskii, F. Glas, L. Travers, U. Mirsaidov, and J. C. Harmand. Phase selection in self-catalyzed GaAs nanowires. Nano Lett. 2020, v. 20, p. 1669-1675.[15] F. Glas and V. G. Dubrovskii. Self-narrowing of size distributions of nanostructures by nucleation antibunching. Phys. Rev. Materials, 2017, v.1, p. 036003.[16] E. Koivusalo, T. Hakkarainen, M. D. Guina, and V. G. Dubrovskii. Sub-Poissonian narrowing of length distributions realized in Ga-catalyzed GaAs nanowires. Nano Lett. 2017, v. 17, p. 5350–5355.[17] F. Glas and V. G. Dubrovskii. Energetics and kinetics of monolayer formation in vapor-liquid-solid nanowire growth. Phys. Rev. Materials 2020, v. 4, p. 083401. [18] V. G. Dubrovskii. Theory of diffusion-induced selective area growth of III-V nanostructures. Physical Review Materials, 2023, v. 7, p. 026001.[19] V. G. Dubrovskii and E. D. Leshchenko. Kinetically controlled composition of III-V ternary nanostructures. Phys. Rev. Materials, 2023, v. 7, p. 056001.[20] V. G. Dubrovskii and E. D. Leshchenko. Composition of III-V ternary materials under arbitrary material fluxes: The general approach unifying kinetics and thermodynamics. Phys. Rev. Materials, 2023, v. 7, p. 074603. [21] V. G. Dubrovskii. Liquid-solid and vapor-solid distributions of vapor-liquid-solid III-V ternary nanowires. Phys. Rev. Materials, 2023, v. 7, p. 096001.[22] V. G. Dubrovskii. Composition of vapor-liquid-solid III-V ternary nanowires based on group III intermix. Nanomaterials, 2023, v. 13, p. 2532.[23] E. D. Leshchenko and V. G. Dubrovskii. An overview of modeling approaches for compositional control in III–V ternary nanowires. Nanomaterials, 2023, v. 13, p. 1659.[24] V. G. Dubrovskii, G. E. Cirlin, I. P. Soshnikov, A. A. Tonkikh, N. V. Sibirev, Yu. B. Samsonenko, V. M. Ustinov. Diffusion-induced growth of GaAs nanowhiskers: theory and experiment. Phys. Rev. B 2005, v. 71, Art. № 205325. [25] G. E. Cirlin, V. G. Dubrovskii, Yu. B. Samsonenko, A. D. Bouravleuv, K. Durose, Y. Y. Proskuryakov, B. Mendis, L. Bowen, M. A. Kaliteevski, R. A. Abram, and D. Zeze. Self-catalyzed, pure zincblende GaAs nanowires grown on Si(111) by molecular beam epitaxy. Phys. Rev. B 2010, v. 82, Art. № 035302.[26] V.G. Dubrovskii, G.E. Cirlin, N.V. Sibirev, F. Jabeen, J.C. Harmand, and P. Werner. New mode of vapor-liquid-solid nanowire growth. Nano Lett. 2011, v. 11, p. 1247–1253. [27] V. O. Gridchin, L. N. Dvoretckaia, K. P. Kotlyar, R. R. Reznik, A. V. Parfeneva, A. S. Dragunova, N. V. Kryzhanovskaya, V. G. Dubrovskii, and G. E. Cirlin. Selective area epitaxy of GaN nanowires on Si substrates using microsphere lithography: Experiment and theory. Nanomaterials 2022, v. 12, p. 2341.[28] D. Lebedev, V. Shkoldin, A. Mozharov, A. Larin, D. Permyakov, A. Samusev, A. Petukhov, A. Golubok, A. Arkhipov, I. Mukhin. Nanoscale electrically-driven light source based on hybrid semiconductor/metal nanoantenna. J. Phys. Chem. Lett. 2022, v. 13, p. 4612.[29] K. Yu. Shugurov, A. M. Mozharov, V. V. Fedorov, S. A. Blokhin, V. V. Neplokh, and I. S. Mukhin. Extremely high frequency Schottky diodes based on single GaN nanowires. Nanotechnology 2023, v. 34, p. 245204. [30] A. Kuznetsov, E. Moiseev, A. N. Abramov, N. Fominykh, V. A. Sharov, V. M. Kondratev, I. I. Shishkin, K. P. Kotlyar, D. A. Kirilenko, V. V. Fedorov, S. A. Kadinskaya, A. A. Vorobyev, I. S. Mukhin, A. V. Arsenin, V. S. Volkov, V. Kravtsov, and A. D. Bolshakov. Elastic gallium phosphide nanowire optical waveguides - Versatile subwavelength platform for integrated photonics. Small 2023, v. 19, p. 2301660. [31] A. D. Bolshakov, V. V. Fedorov, N. V. Sibirev, M. V. Fetisova, E. I. Moiseev, N. V. Kryzhanovskaya, O. Yu. Koval, E. V. Ubyivovk, A. M. Mozharov, G. E. Cirlin, and I. S. Mukhin, Growth and characterization of GaP/GaPAs nanowire heterostructures with controllable composition, Phys. Stat. Sol. RRL 2019, v. 13, p. 1900350.[32] V. G. Dubrovskii, I. V. Shtrom, R. R. Reznik, Yu. B. Samsonenko, A. I. Khrebtov, I. P. Soshnikov, S. Rouvimov, N. Akopian, T. Kasama, G. E. Cirlin. Origin of spontaneous core-shell AlGaAs nanowires grown by molecular beam epitaxy. Cryst. Growth Des. 2016, v. 16, № 12, p. 7251–7255.[33] R. R. Reznik, I. V. Ilkiv, K. P Kotlyar et al. Molecular beam epitaxy growth and properties of AlGaAs nanowires with InGaAs nanostructures. Phys. Stat. Sol. RRL 2022, v. 16, p. 2200056. [34] D. Barettin, I. V. Shtrom, R. R. Reznik, and G. E. Cirlin. Model of a GaAs quantum dot in a direct band gap AlGaAs wurtzite nanowire. Nanomaterials 2023, v. 13, p. 1737.[35] D. Barettin, I. V. Shtrom, R. R. Reznik, S. V. Mikushev, G. E. Cirlin, M. Auf der Maur, and N. Akopian. Direct band gap AlGaAs wurtzite nanowires. Nano Lett. 2023, v. 23, p. 895.[36] L. Leandro, C. P. Gunnarsson, R. Reznik, K. D. Jöns, I. Shtrom, A. Khrebtov, T. Kasama, V. Zwiller, G. Cirlin, and N. Akopian. Nanowire quantum dots tuned to atomic resonances. Nano Lett. 2018, v. 18, p. 7217-7221.[37] L. Leandro, J. Hastrup, R. Reznik, G. Cirlin, N. Akopian. Resonant excitation of nanowire quantum dots. NPJ Quantum information 2020, v. 6, p. 93.[38] S. Chen, J. Yu, J. Zhang, H. Huang, H. Xiao, Y. Tang, V. G. Dubrovskii, H. Liu, P. Xia, and Z. Chen. “Uniformly dispersing and anchoring graphene on GaN nanowire substrate: Application to electrochemical detection of glucose in sweat”. Appl. Phys. Lett., 2023, v. 123, p. 163702.
Детальный план работы на 1 год выполнения проекта представлен выше. Ожидаемые результаты проекта в 2025 году включают следующее:
- Новые подходы к описанию процессов эпитаксиального роста нано-гетероструктур III-V и III-N в различных технологиях и на разлтичных подложках, включая рост ННК по механизму пар-жидкость-кристалл и селективную эпитаксию ННК и наномембран на процессированных подложках с массивами отверстий или канавок в диэлектрической маске SiOx или SiNx. Результаты моделирование диффузионных процессов и моноцентрической нуклеации на верхней грани структур в зависимости от их геометрии и типа граней. Полностью самосогласованные модели роста, дающий высоту и радиус (толщину) структуры в зависимости от времени, геометрии темплейта, размера капли и параметров эпитаксиального процесса (температура и соотношение потоков V/III). - Результаты экспериментальных исследований процессов роста III-V и III-N ННК и III-V наномембран методом МПЭ. Новые методики формирования заданной морфологии и кристаллической фазы данных наноструктур за счет оптимизации параметров эпитаксиального процесса. Результаты диагностики структурных и оптических свойств полученных наноструктур методами РЭМ, ПЭМ, ФЛ. Результаты сравнения полученных экспериментальных данных с результатами моделирования. Результаты сравнения результатом моделирования с результатами экспериментов по МОС-гидридному росту GaAs ННК и наномембранам методом селективной эпитаксии (в частности, в рамках международного сотрудничества с EPFL Lausanne). - Результаты моделирования стационарного состава тройных соединений III-V в различных системах, включая InGaAs, AlGaAs, InGaN, InAsP, GaAsP, InAsSb, AlAsSb. Новые стационарные распределения газ-кристалл и жидкость-кристалл в тройных III-V ННК, выращиваемых по механизму ПЖК. Новые модели и методы подавления термодинамически запрещенных областей по составу в системах с большим рассогласованием решеток (InGaAs, InGaN и др.). Модели профилей состава в осевых гетероструктурах на основе III-V ННК и методов получения резких гетерограниц в различных эпитаксиальных технологиях. - Результаты ростовых экспериментов МПЭ по выращиванию ННК тройных соединений III-V и III-N и гетероструктур на их основе при различных условиях (температура, соотношение потоков и т.д.). результаты исследования морфологии, кристаллической фазы и состава тройных III-V ННК и гетероструктур на их основе методом EDX и ПЭМ высокого разрешения в сканирующей моде. Результаты сравнения полученных экспериментальных данных с результатами моделирования.- Результаты экспериментальных и теоретических исследования процессов легирования III-V ННК различными примесями (Si, Be, Te), профилей легирования, амфотерического поведения Si в GaAs ННК, выращиваемых по механизму ПЖК различными методами. Результаты исследования морфологических изменений в III-V ННК в процессе легирования, включая образование структур TSL (twinning superlattice). - Результаты исследования методами оптической спектроскопии (ФЛ, включая ФЛ с локальным и временным разрешением, рамановская спектроскопия и т.д.) нано-гетероструктур различного состава, морфологии и кристаллической фазы. - Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов эпитаксиального роста III-V и III-V нано-гетероструктур различного типа (вертикальные ННК, планарные ННК, наномембраны и т.д.) и состава на рассогласованных подложках кремния. Методы подавления дислокаций несоответствия для интеграции III-V оптоэлектроники с кремниевой электронной платформой. - Публикация не менее 32 статей в научных журналах, индексированных WoS CC и Scopus по результатам проекта, из них не менее 18 - в журналах Q1 и Q2. Планируемый объем дополнительно привлеченных средств из внебюджетных источников соответствует условиям гранта. В качестве внебюджетного финансирования планируется использование средств двух грантов РНФ с объемом финансирования 7 млн. рублей в год каждый: Грант РНФ "Управление составом наноструктур тройных полупроводниковых соединений III-V", заявка 24-12-00065, 2024-2026 гг. , руководитель - В. Г. Дубровский; и Грант РНФ № 23-79-00012, "Новые наноструктурированные InGaN материалы: синтез, свойства и оптоэлектронные приложения", руководитель - Г. Э. Цырлин, 2023-2025. Также будут использоваться средства договоров со сторонними организациями и иные гранты, которые будут получены в период выполнения настоящего проекта.
