Разработка фоточувствительных материалов для инфракрасного диапазона на основе кремния с наночастицами узкозонных полупроводников

В настоящее время одними из базовых материалов в оптоэлектронике для фотоприёмников ближнего и среднего ИК-диапазона в области длин волн 1-6 мкм являются монокристаллы или эпитаксиальные плёнки узкозонных А3В5 полупроводников, таких как InGaAs (Eg=0.7 эВ), InAs (Eg=0.35 эВ), InSb (Eg=0.17 эВ). Однако выращивание данных полупроводников непосредственно на монокристаллической подложке Si, базового материала современной электроники, прозрачного для ИК-излучения с длиной волны свыше 1 мкм, затруднено большим рассогласованием их кристаллических решёток, что препятствует интеграции материалов А3В5 и Si в единый рабочий элемент фотоприёмника. В данном проекте для решения указанной проблемы интеграции предлагается оригинальный подход, основанный на встраивании наночастиц полупроводников InAs и InSb в матрицу Si в сильно неравновесных условиях при ионной имплантации и импульсных энергетических воздействиях. Первоначально будет проведено моделирование глубинного профиля имплантированных в Si ионов In+, As+, Sb+ при различных энергиях (20-80 кэВ) и дозах (10^16-10^17 ион/см2). На стадии ионной имплантации в пластины монокристаллического Si будут внедрены последовательно ионы In+ с As+ либо с Sb+ при оптимальных значениях энергии и дозы. Далее будет проведено моделирование теплового воздействия на кристалл Si мощными ионными (C+/H+, 300 кэВ), лазерными (532/ 1064 нм) или световыми (Xe-лампа) импульсами нано- и миллисекундной длительности для определения температурных полей и оптимальных режимов обработки. Имплантированные слои будут подвергнуты импульсному (ионный, лазерный или ламповый) отжигу в жидкофазном режиме (через фазу расплава Si, T>1400 град.С) для устранения радиационных дефектов и стимулирования роста наночастиц A3B5 на стадии быстрой кристаллизации. Будут изучены элементный и фазовый состав, морфология поверхности и микроструктура нанокомпозитных слоёв Si-InAs и Si-InSb. Также будет проведён анализ их оптических характеристик (поглощение, отражение и фотолюминесценция) в ИК-области (1-6 мкм) при температурах 77-300 К и исследованы электрофизические и фотоэлектрические свойства. В результате проведённых экспериментов ожидается получение образцов со встроенными в матрицу Si наночастицами InAs и InSb, обладающих оптимальным размером и составом, глубиной залегания, пониженной дефектностью, повышенным ИК-поглощением и фотооткликом в области длин волн 1-6 мкм. Актуальность планируемых в проекте исследований заключается в поиске и создании новых фоточувствительных нанокомпозитных материалов на основе Si с расширенной спектральной фоточувствительностью в ближнем и среднем ИК-диапазонах. Новизна предлагаемого подхода заключается в разработке научных основ способов встраивания наночастиц узкозонных полупроводников в приповерхностную область матрицы Si ионно-лучевыми и импульсно-пучковыми методами, а также в реализации создания первых прототипов фотоприёмников на основе нанокомпозитных слоёв Si-InAs и Si-InSb. Необходимо отметить, что данная тематика поисковых исследований, связанная с синтезом наночастиц А3В5 в Si, является для нашей группы принципиально новой, как и сам состав научной группы. Проводимые нами ранее исследования по ионной имплантации касались легирования элементарных полупроводников (Si, Ge, a-C) электроактивными, металлическими и газообразными элементами или синтеза силицидов железа и карбида кремния.