"Фотодетекторы ближнего и коротковолнового ИК-диапазона на основе нитевидных нанокристаллов InAsP и углеродных наноструктур на кремнии" (промежуточный отчет, 1-ый этап)

В результате работ по первому этапу проекта получены следующие результаты: 1. Изучены особенности процессов формирования гетеропереходов аксиальной и радиальной (ядро-оболочка) геометрии в самоиндуцированных ННК In(As,P) на Si(111). Определено влияние ростовых условий на кристаллическую структуру, композиционный состав и морфологию гетероструктурированных ННК In(As,P). Установлены условия формирования гетеропереходов аксиальной и радиальной (ядро-оболочка) геометрии в ННК тв. р-ров InAs/InAs(1-x)P(x), где x>10%. 1.1. Установлены основные закономерности определяющие химический состав, морфологию и поверхностную плотность эпитаксиальных массивов нитевидных нанокристаллов (ННК) твердых растворов (тв. р-р.) In(As,P), формирующихся по самоиндуцированному механизму на поверхности Si (111). 1.2. Показано, что независимо от используемых условий роста, структура самоиндуцированных ННК In(As,P) характеризуется гексагональной плотной упаковкой с высокой плотностью ростовых дефектов в виде включений 1, 2 или 3-ёх слоёв кубической упаковки или включений элементарных ячеек гексагональных политипов 4H и 6H. Определено соотношение числа слоёв в гексагональной и кубической упаковке составляющее 3 к 1. 1.3. Определены диапазоны ростовых условий, способствующие формированию ННК тв. р-р. InAs(1-x)P(x), где x<40% и ННК InAs/InAsP гетероструктурированных в аксиальной и радиальной (ядро-оболочка) геометрии. Выращены ННК с наноразмерными включениями (нанодисками) InAs(1-x)P(x), где x<10% и ННК ядро/оболочка с содержанием фосфора в оболочке от 40 до 100%. 1.4. Показано, что вероятность встраивания мышьяка при самоиндуцированном росте ННК на порядок выше, чем для фосфора, а присутствие потока фосфора увеличивает скорость радиального роста. 1.5. Обнаружено, что тенденция к радиальному росту InP позволяет успешно формировать широкозонную оболочку, пассивирующую поверхность InAs-ядра ННК. Показано, что несмотря на значительное рассогласование решеток ядра InAs и оболочки InP (Δa/a~3.3%), возможно формирование бездефектной оболочки InP толщиной до 12 нм. Решетка InAs, формирующая ядро ННК, при этом сжимается по оси роста ННК. 2. Определены взаимосвязи между морфологией, композиционным составом и кристаллической структурой гетероструктурированных ННК и их зонной структурой, и оптическими свойствами: особенностями процессов фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света. Показано, что синтезированные наноструктуры характеризуются доминирование вюрцитной фазы, при этом в соответствии с положением основной линии ФЛ наблюдается присутствие политипов структуры. Наличие InP оболочки приводит к сдвигу линии ФЛ на порядка 5-10 мэВ, что объясняется возникновением механических напряжений в системе, вызванных рассогласованием параметров кристаллических решеток материалов ядра и оболочки. Наличие механических напряжений подтверждается данными ТЭМ, а также сдвигом ТО-моды в спектрах КРС. 3. Методами численного моделирования установлено влияние эффектов резонансной локализации оптического поля на процессы оптического поглощения в массивах ННК In(As,P) на Si. Показано, что поверхность Si подложки, покрытой на 15% по площади массивом InAs(P) ННК поглощает до 90% падающего ИК излучения. В массивах синтезированных InAs, InAs/inP ННК проявление данного эффекта на спектрах ФЛ не наблюдается за счет неоднородного распределения ННК по размерам и усредняя эффекта. 4. Определена оптимальная, с точки зрения достижения максимальной чувствительности в спектральном диапазоне 0,75 - 3,5 мкм, расчётная конструкция ИК-фотодетекторов на основе гетероструктурированных ННК In(As,P) на Si. Обнаружительная способность фотодетектора на основе InAs0,53P0,47 ННК имеет максимальные значения, превышающие более чем на порядок аналогичные для приборных структур на основе InAs ННК. Оптимальная длина ННК лежит в диапазоне (1,8-2,6) мкм. Полученные значения хорошо соответствуют обнаружительной способности лучших фотоприемников на основе планарных структур InGaAs (имеющих несколько меньшее значение концентрации собственных носителей по сравнению с InAsP). 5. Разработаны методы переноса, химической и термической обработки слоев графена, на поверхности SiOx/Si(111), позволяющие получить виртуальные подложки графен-на-кремнии с гладкими монослоями графена, площадью более 2 см^2. Для переноса слоев графена использованы коммерческие медные фольги со слоями графена, выращенными методом газофазного осаждения. Для переноса графена использованы поддерживающие слои из ПММА. 6. Развиты методы структурирования слоев графена, в том числе с применением технологии бесшаблонной микросферной фотолитографии, позволяющие добиться формирования на SiOx/Si подложке пространственно-упорядоченных массивов островков (мез) графена с латеральным размером от 400 нм до 10 мкм. Продемонстрировано масштабирование метода микросферной фотолитографии для подложек Si диаметром 75 мм. Метод лазерной литографии обеспечивает формирование мез графена заданной геометрии, в то время как подход микросферной литографии позволяет структурировать слои большой площади. 7. Подготовлено и принято к печати 2 статьи в научных журналах (в том числе, 1 в журналах, входящих в первую квартиль Q1), результаты проекта апробированы на российских и международных конференциях. В ходе реализации первого года проекта подготовлены и приняты к печати статьи: 1). R.V. Ustimenko, M.Ya. Vinnichenko, D.A. Karaulov, D.A. Firsov, V.V. Fedorov, A.M. Mozharov, D.A. Kirilenko, I.S. Mukhin. Interband photoluminescence of InAs(P)/Si nanowires. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, 2022, no. RYCPS-2022. (https://doi.org/10.18721/JPM) 2). Liliia Dvoretckaia, Alexey Mozharov, Alexander Pavlov, Roman Polozkov, Ivan Mukhin. Numerical study of detectivity for near-IR photodetectors based on InAsP NWs. Scripta materialia, 2022 (just accepted), Q1.