Фотодетекторы ближнего и коротковолнового ИК-диапазона на основе нитевидных нанокристаллов InAsP и углеродных наноструктур на кремнии

Основной задачей настоящего проекта является развитие нового технологического подхода к созданию быстродействующих и высокоэффективных фотодетекторов ближнего и коротковолнового ИК-диапазонов (0,75 - 3,5 мкм) с заданной спектральной чувствительностью на основе гетероструктурированных нитевидных нанокристаллов (ННК) соединений In(As,P) и углеродных наноструктур на кремнии. Переход от гетероструктур планарной геометрии к гетероструктурам на основе эпитаксиальных ННК полупроводниковых соединений А3B5 представляет собой один из перспективных путей развития современной полупроводниковой технологии. Отличительной особенностью ННК является высокое аспектное соотношение высоты ННК к их диаметру, однородная вертикальная ориентация ННК в эпитаксиальном массиве, а также возможность пространственного упорядочения ННК на поверхности подложки. При этом релаксация упругих напряжений на развитой свободной поверхности ННК, позволяет формировать решеточно-рассогласованные гетеропереходы в аксиальной и радиальной геометрии. К размерным эффектам, обусловленным морфологией ННК, также относится эпитаксиальной стабилизация полиморфных структурных модификаций и расширение области смешиваемости твердых растворов (тв. р-ров), а также резонансная локализация электромагнитного поля оптического и ИК-диапазонов. Данные особенности обеспечивают широкие возможности управления зонным профилем, оптическим и электронным ограничением в наноразмерных гетероструктурах на основе ННК. Кроме того эффекты локализации и резонансного усиления электромагнитного поля в ННК позволяют уменьшить объем активной области фотодетектора, а значит и понизить темновой ток, повысить чувствительность и быстродействие прибора. Особый интерес для ИК-оптоэлектроники представляет исследование гибридных структур на основе эпитаксиальных массивов гетероструктурированных ННК тв. р-ров InAsP на подложках Si и углеродных наноструктур: углеродных нанотрубок (УНТ) и графена. Выбор узкозонного (0.35 эВ) полупроводникового материала InAs обусловлен относительно высокой подвижностью носителей заряда 10,000 см^2/В·с и большим временем жизни неосновных носителей, что позволяет использовать InAs и тв. р-р InAsP для создания фотоприемников и светоизлучающих устройств, работающих в коротковолновом ИК-диапазоне (1-3.5 мкм). Особенностью ННК In(As,P) является возможность их самоиндуцированного формирования без применения сторонних катализаторов, что положительно сказывается на качестве материала. Использование буферного слоя на основе двумерного материала - монослоя графена, перенесенного на Si подложку, решает проблему монолитной интеграции соединений A3B5 и Si. Такой подход позволяет достичь высокого структурного совершенства ННК, несмотря на решеточное рассогласование, путем реализации псевдо-Ван-дер-Ваальсовского (ВдВ) механизма гетероэпитаксии в отсутствии сильных ковалентных или ионных химических связей на гетерогранице. Кроме того, листы графена, перенесенные на подложку SiOx/Si, могут быть структурированы фотолитографическими методами. При этом слой термического окисла SiOx будет выступать в качестве ростовой маски, а островки графена будут служить центрами селективного зарождения ННК, что позволит получить упорядоченные массивы ННК требуемые для приборных применений. В свою очередь высокая подвижность носителей заряда и бесщелевая электронная структура графена, обуславливающая широкий спектр оптического поглощения и малое время жизни фотогенерированных носителей заряда, делают его перспективным материалом для создания широкополосных быстродействующих фотодетекторов. Кроме того, интерес представляют и эффекты гибридизации межфазных электронных состояний в гибридных структурах полупроводник/графен, позволяющие изменять оптические и электронные свойства материала. Тонкие (~30 нм) слои одностенных углеродных нанотрубок будут рассмотрены для формирования невжигаемых омических контактов к вершинам ННК с малыми оптическими потерями в ближнем и коротковолновом ИК-диапазоне. Таким образом, одной из целей Проекта является изучение процессов селективной псевдо-ВдВ эпитаксии гетероструктурированных ННК на основе полупроводниковых тв. р-ров In(As,P) на поверхности графен/Si и комплексное исследование структурных, оптических и электрофизических свойств синтезированных гетероструктур. Будут развиты соответствующие пост ростовые технологии и изготовлены приборные структуры фотодетекторов ННК In(As,P)графен/SiOx/Si и In(As,P)/Si ; проведено исследование их эффективности и спектральной чувствительности. Можно ожидать, что гибридные псевдо-Ван-дер-Ваальсовские гетероструктуры, совмещающие в себе прямозонные полупроводники InAsP, углеродные наноструктуры и наиболее широко применяемый материал ИК-оптики - кремний, могут существенно расширить функциональные возможности существующих технологий, в том числе, служить основой для создания мультиспектральных ИК-радиометров и тепловизоров, а улучшение шумовых характеристики и быстродействия востребовано в современных системах телекоммуникаций.