Структура и механизмы формирования поверхности, границ раздела и дефектов полупроводниковых наносистем

Работа выполнялась в течение 2018-2020 годов в рамках программы ФНИ государственных академий наук на 2013-2020 годы II8, пункт программы 8.3 Характеризация и свойства твердотельных наноструктур по теме «Структура и механизмы формирования поверхности, границ раздела и дефектов полупроводниковых наносистем». Проект был направлен на исследование функциональных наносистем в рамках приоритетного направления индустрии наносистем и критических технологий в РФ, связанного с диагностикой наноматериалов и наноустройств, изучением и моделированием их квантовых свойств, разработкой новых и совершенствованием существующих полупроводниковых технологий. Конечной целью данного проекта являлось использование накопленных и полученных в ходе выполнения проекта знаний для разработки методов и технологий по созданию наноустройств в области наноэлектроники, фотоники и сенсорики. В итоговом отчете акцент сделан на описании результатов, связанных с разработкой технологии выращивания системы -FeSi2/Si для фотонных устройств ИК диапазона, излучателей одиночных фотонов, пригодных для создания квантовых стандартов частоты, и биосенсоров на основе КНИ структур для детектирования различных вирусов. Представлен анализ теоретических исследований фотонно-стимулированного электронного транспорта в квантовом точечном контакте в высокоподвижном двумерном электронном газе при воздействии внешнего электромагнитного поля в диапазоне от нескольких ГГц до нескольких ТГц. Показано, что концепция фотонно-стимулированного транспорта применима к описанию измеренного отклика точечного контакта, изготовленного в ИФП СО РАН с помощью МЛЭ, оптической литографии и нанолитографии, на всех экспериментально изученных частотах облучения. Эти результаты представляют большой интерес с точки зрения фундаментальной физики, нанотехнологий, крионаноэлектроники и новых способов регистрации излучений. Из результатов, представленных в отчете, можно выделить: - ВРЭМ исследования, которые использованы в ИАиПУ ДВО РАН для создания тестовых диодных структур на основе многослойных гетеросистем p-Si – нанокристаллиты (НК) -FeSi2 - n-Si, квантовая эффективность которых при нулевом смещении составила около 0.2%, а удельная обнаружительная способность - 1.2×109 см×Гц1/2/Вт на длине волны 1300 нм при Тк; -численные решения нестационарного уравнения Шредингера для электрона, налетающего на колеблющийся одномерный плавный барьер, с помощью которых промоделирован недавно обнаруженный отклик кондактанса короткого (100 нм) слабо проводящего сужения в двумерном электронном газе на монохроматическое терагерцовое/субтерагерцовое облучение структуры. Расчетом предсказаны фотонные реплики основной ступени коэффициента прохождения электрона через плавный барьер. - детальный ПЭМ и ВРЭМ анализ протяженных дефектов в Si, имплантированном кислородом, и отжигами (совместно с ФТИ имени А.Ф. Иоффе). Найдено собственное излучение кислородных преципитатов на длине волны 1476 нм. Показано, что интенсивность D1 линии (1535 нм) связана с чистыми от преципитатов дислокациями. - ВРЭМ исследования, связанные с разработкой технологии получения прямозонного материала на основе сплава Sn-Si системы для устройств, работающих в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне; -первопринципные расчеты поверхностей Si(110)-5×8 и Ge(110)-c(10×8) Ge(331)-5×1, Si(331)-12×1, высокая стабильность которых связана с формированием на поверхности универсального структурного блока- пентамера, включающего междоузельный атом. Разработанная модель в деталях согласуется с экспериментальными СТМ изображениями этих поверхностей; - данные о вкладе диффузии нанокластеров на 2D-островковое зарождение на поверхности Si(111)-7×7 в процессе эпитаксии Si и Ge при повышенных температурах, полученные с помощью in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ). Впервые получена оценка энергии активации диффузии Ge–Si нанокластеров — 1.3–1.4 эВ. - разработку технологии создания метаповерхностей на основе реализации явления несмачивания в системе Ge/Si Ge/SiO2 при высоких температурах. Показано, что массивы частиц Ge на поверхности SiO2 со сферической формой наиболее эффективны для перераспределения силы света в ближней ИК-области, что делает их более перспективными при проектировании метаповерхностей для различных приложений; - разработку технологии и исследования КНИ-сенсоров c диэлектрофоретическим управлением концентрацией аналита (совместно с ФБУН ГНЦ ВБ «ВЕКТОР»); - разработку излучателей одиночных фотонов на основе AlxIn1-xAs/AlyGa1-yAs квантовых точек и одномодовых лазеров с вертикальным резонатором с генерационной длиной волны 794,8 нм для миниатюрных квантовых стандартов частоты на основе Rb87. - разработку конструкции мозаичного фотоприемника с предельной эффективностью преобразования изображений. Полученные результаты соответствуют мировому уровню работ в различных областях и являются новыми. Все запланированные задачи выполнены в срок и в полном объеме.