Физико-технологические основы создания гетероструктур на базе элементов IV группы, совместимых с современной кремниевой технологией, для устройств фотоники

Деятельность молодёжной лаборатории будет направлена на создание и исследование новых материалов на основе элементов IV группы (Ge, Si, Sn), совместимых с современной кремниевой технологией. Исследования будут сосредоточены на развитии физико-технологических основ формирования гетероструктур, включающих слои GeSiSn, а также квантовые точки GeSiSn, квантовые ямы GeSiSn/Si(Ge) и сверхрешётки GeSiSn/Si(Ge) с уникальными оптическими и электрофизическими свойствами. Актуальной задачей на пути развития электронно-фотонных интегральных схем является получение новых материалов, совместимых с кремниевой технологией, позволяющих расширить рабочий спектральный диапазон устройств, а также продвинуться в направлении их миниатюризации, повышения быстродействия и энергоэффективности. Для решения проблемы интеграции электронных и фотонных устройств на едином кремниевом кристалле требуется разработка новой элементной базы твердотельной фотоники, включающей оптические вычислители, модуляторы, фильтры, устройства передачи сигнала, источники и приёмники излучения. Класс новых материалов Ge-Si-Sn является одним из наиболее перспективных для решения вышеобозначенных задач. Элементарные полупроводники Ge и Si являются непрямозонными и характеризуются низкой эффективностью излучательной рекомбинации носителей заряда, что ограничивает их применение в устройствах фотоники. Добавление Sn в матрицу GeSi позволяет контролируемо управлять зонной структурой исходного материала, уменьшая ширину запрещённой зоны. Это даёт возможность регулировать рабочую длину волны устройств нанофотоники в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. Новые материалы на основе соединений GeSiSn, могут быть прямозонными при определённых составах твёрдого раствора. Поскольку Sn является изовалентным элементом по отношению к Si и Ge, а также не создаёт глубоких примесных уровней в запрещённой зоне, класс материалов Ge-Si-Sn совместим с современной кремниевой технологией. В рамках реализации научной тематики будут развиты физико-технологические основы синтеза из молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме многослойных гетероэпитаксиальных структур на основе соединений GeSiSn с уникальными оптическими и электрофизическими свойствами. В рамках реализации научной темы будут решаться следующие задачи: 1) Используя метод молекулярно-лучевой эпитаксии, установить закономерности процесса роста и протекания различных атомных явлений на напряжённой растущей поверхности с различной морфологией тонких плёнок на основе соединений GeSiSn в широком диапазоне составов на подложках Si и Ge. Для выполнения поставленной задачи будет проведён анализ элементарных процессов на поверхности, таких как диффузия и сегрегация. Будет изучен процесс структурных перестроек поверхности в случае заращивания слоёв GeSiSn кремнием и германием, что представляется особенно важным для получения атомарно-гладкой поверхности. 2) Изучить зонную структуру слоев GeSiSn, а также квантовых точек GeSiSn, квантовых ям GeSiSn/Si(Ge) и сверхрешеток GeSiSn/Si(Ge) с применением методов численного моделирования. Исследовать атомную и электронную структуру собственных дефектов в материалах на основе элементов IV группы с помощью методов первопринципного квантово-химического моделирования. 3) Исследовать оптические свойства сформированных гетероэпитаксиальных структур методами модуляционной ИК-Фурье спектроскопии, включая фотолюминесценцию и фотоотражение. 4) Изучить электрофизические свойства p-i-n диодов на основе гетероструктур GeSiSn/Si(Ge), включая вольтамперные и вольтфарадные характеристики, а также спектры фототока. 5) Создать и оптимизировать макеты светоизлучающих и фотоприёмных устройств ближнего и среднего инфракрасного диапазона.