Описание проекта
Интеграция полупроводниковых гетероструктур соединений A3B5 на кремнии, позволяет объединить преимущества кремниевой технологии: низкую стоимость подложек, высокий уровень литографических технологий и интегральной схемотехники, с уникальными особенностями эпитаксиальной технологии: возможностью конструирования поперечного зонного профиля структуры и реализации электронного и оптического ограничения, а также использования квантово-размерных эффектов. Перспективным методом интеграции решеточно-рассогласованных структур на кремнии является переход от планарных структур, к наноразмерным трехмерным гетероструктурам, таким как нитевидные нанокристаллы (ННК) соединений A3B5. Благодаря нитевидной морфологии (характерные длины и диаметры ННК лежат в диапазонах от 1 до 20 мкм и от 50 до 500 нм, соответственно) и релаксации упругих напряжений на развитой боковой поверхности, гетероструктуры на основе ННК выдерживают высокие (>20%) изгибные напряжения и позволяют совмещать в себе решеточно-рассогласованные системы материалов. Отличительной особенностью ННК является высокое аспектное соотношение высоты ННК к их диаметру, однородная ориентация ННК в эпитаксиальном массиве, а также возможностью пространственного упорядочения ННК на поверхности подложки. К уникальным свойствам обусловленным морфологией ННК относятся: возможность резонансной локализации оптического поля, а также релаксация упругих напряжений на развитой свободной поверхности, что позволяет формировать решеточно-рассогласованные гетеропереходы в аксиальной и радиальной геометрии. Кроме того, электронной структурой ННК можно управлять путем контролируемого формирования переходов между вюрцитной и сфалеритной структурными модификациями соединений A3B5. Таким образом эпитаксиальные массивы гетероструктурированных нитевидных нанокристаллов (ННК) на основе полупроводниковых соединений AIIIBV являются перспективным материалом современной нанофотоники, оптоэлектроники и фотовольтаики.Согласно поиску по базам данных Scopus и WoS, на настоящий момент в литературе отсутствуют упоминания о возможности стабилизации азотсодержащих тв. р-ров InAsN в виде ННК. Однако возможность стабилизации тв. р-р InAsN была продемонстрирована в планарных эпитаксиальных слоях. Наибольшей концентрации азота - 6.1%, что соответствует ширине запрещенной зоны 0.12 эВ, удалось достичь в МОГФЭ пленках InAsN. Исследования по МПЭ слоев InAsN показали, что встраивание азота в InAsN в 25 раз менее эффективно, чем в GaAsN при аналогичных ростовых условиях, что авторы объяснили разницей в энтальпии формирования соответствующих компонент тв. р-р. Наиболее качественные по своим электрофизическим свойствам слои InAsN были получены методом МПЭ группой Zhuang Q. – им удалось достичь концентрации азота 2.5%, при этом структуры демонстрировали фотолюминесцентный отклик при комнатной температуре на длине волны 4.5 мкм. Таким обазом, перечисленные выше результаты обуславливают интерес к стабилизации тв. р-ров InAsN в ННК, с целью создания функциональных материалов для ИК-детекторов. Концепция Ван-дер-Ваальсовой (ВдВ) эпитаксии для синтеза решеточно-рассогласованных систем была предложена в 1986-1992 гг. группой Atsushi Koma. Хотя данная идея и была предложена довольно давно, свое развитие исследования процессов псевдо-Ван-дер-Ваальсовой ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ СПА-139.2022 2эпитаксии наноструктур на основе А3В5, А3-N, A2B6 соединений получили лишь в последнее десятилетие. В частности, наибольший успех достигнут в области исследования процессов формирования самоиндуцированных ННК и микроструктур GaN и ZnO на поверхности графена, что связано с перспективой применения подобных массивов, отделенных от подложки, в гибких светоизлучающих дисплеях и УФ-фотодетекторах.Однако, в литературе практически отсутствует информация по ВдВ-эпитаксии гетероструктурированных А3В5 ННК: можно выделить работу, посвященную ННК на основе твердых растворов InGaAs, где было показано, что вследствие релаксации упругих напряжении при самоиндуцированном формировании ННК InGaAs на графене наблюдается фазовая сегрегация и спонтанное формирование структуры ядро-оболочка, чего не наблюдалось при росте на MoS2, а также работу, посвященную целенаправленному формированию радиально-гетероструктурированных ННК InGaAs/InAs в процессе МПЭ. Следует отдельно подчеркнуть, что для функциональных применений ННК необходимо формирование упорядоченных эпитаксиальных массивов. Несмотря на возможность структурирования слоев графена, ни в одной из ранее изданных работ не было предпринято попыток проведения селективного эпитаксиального роста ВдВ-наногетерструктур. Так практически все немногочисленные опубликованные работы, посвященные селективной ВдВ эпитаксии на структурированном слое двумерного материала, перенесенного на подложки SiOx/Si, описывают процессы формированию наноструктур соединений А3N (AlGaN на графене) или A2B6 (ZnO на hBN). Однако в силу микронного размеров островков двумерного материала в вышеупомянутых работах наблюдалось селективное формирование либо микроструктур, либо “ансамблей” ННК. Основной целью настоящего проекта является решение проблемы эпитаксиальной интеграции функциональных наногетероструктур на основе твердых растворов InAsP на кремнии. Будут решены следующие задачи: 1. Исследование механизмов селективного формирования гетероструктурированных ННК на основе твердых растворов InAsP на Si(111), синтез эпитаксиальных массивов ННК с заданными поверхностной плотностью и морфологией. 1.1. Исследование процесса конкурентного встраивания атомов V-группы в процессе роста ННК InAsP и его влияния на химический состав азотсодержащих тв.р-р. 1.2. Исследование особенностей процессов формирования аксиально и радиально гетероструктурированных ННК InAsP. 2. Исследование процессов Ван-дер-Ваальсовой гетероэпитаксии InAsP ННК на поверхности виртуальных подложек графен на Si(111) в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии. 2.1. Исследование структурных свойств массивов ННК с целью выявления механизмов эпитаксиальной ориентации и релаксации упругих напряжений в процессе Ван-дер-Ваальсовой эпитаксии 2.2. Выявление взаимосвязей между функциональными свойствами синтезированных наногетероструктур и их кристаллической структурой и морфологией. Успешная реализация, поставленных в проекте задач позволит в дальнейшем создавать гибкие, светоизлучающие и фотопреобразующие непланарные наногетероструктуры на основе нитевидных нанокристаллов (ННК) твердых растворов полупроводниковых соединений А3B5.
