Разработка и изготовление лавинных фотодиодов и фототранзисторов коротковолнового инфракрасного диапазона на основе материалов IV группы (Ge, Si, Sn)

Разработка фотодетекторов (фотодиодов и фототранзисторов) коротковолнового инфракрасного (ИК) диапазона (1.1 – 3 мкм), обладающих высокими чувствительностью, отношением сигнал-шум и быстродействием является одной из важнейших задач фотоники для применений в волоконно-оптических линиях связи нового поколения, квантовой информатике, астрофизических исследованиях, медицинской диагностике и мониторинге окружающей среды. Создание таких фотодетекторов возможно с использованием нового класса материалов и наногетероструктур на основе элементов IV группы Ge-Si-Sn. Совместимость данных материалов с техпроцессами современной кремниевой микроэлектроники является их бесспорным достоинством по сравнению с применяемыми в настоящее время в ИК фотонике материалами A2B6 и A3B5. Реализация эффективных устройств фотоники на основе Si, Ge и соединений SiGe ограничена непрямозонностью их электронной энергетической структуры. Новый класс материалов на основе тройных соединений GeSiSn, имеющих высокий показатель поглощения и являющихся прямозонными при определенном содержании олова и деформации кристаллической решетки, предлагается в качестве перспективного материала для регистрации оптического сигнала во всем коротковолновом ИК диапазоне, в частности телекоммуникационном. Использование GeSiSn вместо двойных соединений GeSn, на основе которых активно ведутся разработки ИК фотодетекторов, позволяет решить проблемы больших механических напряжений и высокой плотности пронизывающих дислокаций, а также низкой термической стабильности материала. В настоящем проекте для создания фотодетекторов диапазона 1.1 – 3 мкм будут разрабатываться лавинные фотодиоды и биполярные фототранзисторы, позволяющие за счёт внутреннего усиления сигнала достичь высоких значений чувствительности, отношения сигнал-шум, и быстродействия. С этой целью будут проведены разработка технологии и изготовление лавинных фотодиодов и фототранзисторов на основе материалов GeSiSn, получаемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Планируемый исследовательский коллектив имеет существенный задел в области технологий роста толстых слоев GeSiSn, многослойных бездислокационных структур на основе квантовых точек GeSiSn, множественных квантовых ям GeSiSn/Si(Ge), а также обладает опытом изготовления биполярных Ge/Si фототранзисторов и p-i-n фотодиодов на основе упругонапряженных слоев и квантовых точек GeSiSn коротковолнового ИК диапазона с низким значением плотности темнового тока. В рамках проекта будут созданы макеты лавинных фотодиодов и биполярных фототранзисторов, имеющих в качестве базы слои GeSiSn, множественные квантовые ямы GeSiSn/Si, а также многослойные структуры с квантовыми точками GeSiSn. Дополнительное усиление сигнала будет достигаться использованием резонансно-полостных структур и фотонных кристаллов, совмещенных с лавинными фотодиодами и фототранзисторами. Характеризация сформированных структур будет осуществляться методами спектроскопии адмиттанса, фотолюминесценции, ИК фурье-спектроскопии, фотомодуляционной спектроскопии отражения, изучением электрофизических характеристик. Будут определены спектральная чувствительность и коэффициент усиления по току в зависимости от уровня легирования, толщины базы, а также от состава слоев GeSiSn в активной области приборов. Для поиска технологических решений создания лавинных фотодиодов и фототранзисторов с оптимальными характеристиками (по чувствительности и быстродействию) будет осуществляться моделирование этих приборов в программных пакетах TCAD и COMSOL Multiphysics. Новизной настоящего проекта, по сравнению с аналогичными исследованиями в мире, является использование для создания фотодетекторов нового класса материалов Ge-Si-Sn, совместимых с кремниевой технологией, и, кроме того, их сопряжение с резонансно-полостными структурами и двумерными фотонными кристаллами, что может привести к существенному возрастанию чувствительности детекторов.