Разработка научных основ эпитаксии наногетероструктур AIIIBV для нового поколения ИК-фотоприемных устройств, в том числе и на подложках кремния

Объектом исследования являются гетероструктуры, GaAs/Si, Si/GaAs, GaAs/GaP/Si, GaP/InAs/GaP/Si, GaSb/Si, InSb/Si, InGaAs/InP, твердые растворы InAsxSb1-x. Цели проекта и этапа 2020 года: Формирование материальной базы и методических подходов для реализации монолитной интеграции в кремниевые микросхемы оптоэлектронных устройств, создаваемых на базе материалов AIIIBV. Этап 2020 года: демонстрация возможности формирования оптически-активных псевдоморфно-напряженных InxGa1−xAsyP1−y квантовых ям на поверхности буферных слоев GaP/Si. Проведение исследования влияния состава и условий формирования переходных слоев на кристаллическую структуру и морфологию поверхности буферных слоев AIIIBV, выращенных методом МЛЭ на отклоненных подложках Si(001). Построение кинетической модели формирования методом МЛЭ твердых растворов AIIIPxAs1-x и AIIIAs1-xSbx на вицинальных подложках AIIIBV(001), отклоненных от сингулярной грани к плоскости (111). Решались следующие задачи: Оптимизация технология выращивания буферных слоев GaAs/Si с использованием дислокационных фильтров на основе слоев низкотемпературного GaAs. Предметом оптимизации являлось снижение содержания протяженных дефектов и улучшение морфологии поверхности буферных слоев при толщине эпитаксиальных слоев менее 2 мкм. Исследование влияния условий формирования промежуточных слоев различного состава и толщины на кристаллические свойства и морфологию поверхности слоев AIIISb, выращенных методом МЛЭ на подложках Si(001). Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур GaAs/Si, Si/GaAs, GaAs/GaP/Si, GaSb/Si, InSb/Si, InGaAs/InP и твердых растворов InAsxSb1-x. Исследование методами дифракции быстрых электронов на отражение, атомносиловой и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской дифрактометрии и фотолюминесценции пленок соединений AIIIBV и их твердых растворов на разных этапах их получения на подложках GaAs и Si в зависимости от условий их формирования. Разработка алгоритма реализации численной модели формирования методом МЛЭ твердых растворов AIIIPxAs1-x и AIIIAs1-xSbx на вицинальных подложках AIIIBV(001), отклоненных от сингулярной грани к плоскости (111). Выполнение верификация модели на базе экспериментальных данных по влиянию условий роста на состав твердых растворов замещения по пятой группе: AlPxAs1-x, GaPxAs1-x, InPxAs1-x, GaAs1-xSbx, InAs1-xSbx, Ga1-yInyAs1-xSbx. Применение результатов исследования. Буферные слои GaAs/Si, выращенные по оптимизированной технологии, пригодны для выращивания структур с квантово размерными свойствами. Использование тонких буферных слоев GaAs/Si с малой протяженностью антифазных границ, низкой концентрацией пронизывающих дислокаций и морфологией поверхности, позволяющей формировать качественные гетеропереходы в короткопериодных сверхрешетках, отдельных квантовых ямах и массивах квантовых точек, является одним из путей повышения структурного качества гетероструктур на основе системы AIIISb(As)/Si. Такие буферные слои также пригодны для выращивания структур, предназначенных для проведения исследований процессов пластической релаксации, протекающих в системе AIIISb(As)/Si. Выращивание гетероструктур на основе слоев AIIISb(As) на Si через слои GaAs позволяет при необходимости использовать технологию lift-off для переноса фоточувствительной тонкой эпитаксиальной структуры на альтернативные носители. Данные, полученные в ходе выполнения исследования влияния условий формирования промежуточных слоев различного состава и толщины на свойства пленок GaSb, выращенных методом МЛЭ на подложках Si(001), позволяют решать следующие задачи при проведении исследования процессов пластической релаксации в системе AIIISb(As)/Si и оптимизации технологии выращивания гетероструктур на ее основе: 1) выбор ориентации эпитаксиального слоя относительно вицинальной подложки. Ориентация пленки оказывает влияние на морфологию ее поверхности и на процесс пластической релаксации. 2) выбор состава и условий формирования слоя конвертации на поверхности кремния (до трех первых атомных слоев элементов третьей и пятой групп). От этого зависит концентрация и структура АФД. 3) выбор состава и условий формирования переходного слоя от параметра решетки подложки к параметру решетки пленки. Этим выбором будет определяться характер зарождения эпитаксиального слоя – сплошной или островковый, а также комплекс процессов пластической релаксации и эволюции антифазных доменов. Для наиболее полного достижения основных целей проекта в перспективе необходимо решить проблему подготовки поверхности кремния к эпитаксии. Она должна обеспечивать минимальное количество одноатомных ступеней на поверхности подложки. Для эффективного решения данной проблемы необходимо не только иметь подложки кремния соответствующего качества и точности ориентации отклонения от сингулярной грани, но и систему МЛЭ соединений AIIIBV, сопряженную через вакуумный шлюз с кремниевым модулем, позволяющим выращивать буферные слои Si в отсутствии остаточной атмосферы элементов пятой группы. Модель процесса МЛЭ твердых растворов соединений AIIIBV c замещением в подрешетке пятой группы предполагается использовать при отработке технологии выращивания методом МЛЭ гетероструктур, содержащих слои таких твердых растворов. Возможность проводить априори оценку состава твердого раствора в зависимости от условий роста позволит уменьшить число тестовых ростов по подбору величин молекулярных потоков элементов пятой группы, обеспечивающих получение требуемого состава твердого раствора при оптимальных значениях температуры, скорости роста, а также сверхструктурного состояния и угла разориентации поверхности подложки. Основными параметрами оптимизации условий эпитаксии являются морфология гетеропереходов, а также структурные, электрофизические и оптические свойства как отдельных слоев, так и гетероструктуры в целом. Результаты исследований могут быть применены при формировании на буферных слоях GaP/Si низкоразмерных гетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками, состоящими из узкозонных материалов. При создании высокоэффективных, сверхтонких, гибких фотопреобразователей солнечной энергии, при оптимизации условий роста методом МЛЭ гетероструктур AIIIBV/Si для изготовления фотоприемников ИК-диапазона и реализации мультиэлектродных интерфейсов для исследования культивируемых нейросетей с одноклеточным разрешением.