Исследование особенностей формирования гибридных полупроводниковых наногетероструктур пониженной размерности на пористом кремнии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-10007

НазваниеИсследование особенностей формирования гибридных полупроводниковых наногетероструктур пониженной размерности на пористом кремнии

Руководитель Леньшин Александр Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" , Воронежская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова AIIIBV, AIIIN, гетероструктуры, por-Si

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день огромные исследовательские усилия во всем мире тратятся на изучение различных подходов к интеграции оптических функциональных элементов и кремниевой схемы обработки электрических сигналов. Эта задача обусловлена возрастающими потребностями в области создании нового поколения элементов оптоэлектронной компонентной базы, которые требуют гораздо более высокой пропускной способности и меньшей потребляемой мощности, чем у существующих сейчас оптоэлектронных аналогов. Такую возможность мы можем получить лишь за счет интеграции лазеров и фотодиодов на основе полупроводников групп GaAs и GaN с кремнием в одном гибридном устройстве. За последние десятилетия было предложено множество подходов для улучшения кристаллического совершенства гетероструктур на основе III-N системы материалов. Порой внушительная разница между постоянными кристаллической решетки и коэффициентами теплового расширения у твердых растворов AIIIBV, нитридов A3N и подложки Si, весьма серьезно затрудняют рост рабочих гетероструктур хорошего качества. Однако наметившийся в последние несколько лет успех в решении ключевых технологических задач в этой области, обещающий коренным образом изменить наши представления о фотонике будущего, связан в первую очередь с созданием гибридных одномерных наногетероструктур. Гетероэпитаксия в одномерной форме (наностолбик/нанопровод) дает возможность интегрировать различные материалы, которые нелегко выращивать вместе в виде тонких пленок, использовать многообразие новых комбинаций материалов в одной гетеропаре, а также представляет собой идеальную платформу для последующего изготовления гибридных гетероструктур, сочетающих лучшие транспортные и оптические характеристики разнородных материалов в одном устройстве. В заявляемом нами Проекте мы предлагаем абсолютно новый комплексный подход к получению гибридных гетероструктур пониженной размерности на основе полупроводниковых соединений группы AIIIBV, нитридов A3N и кремния, основанный на двух абсолютно нетривиальных технологических приемах, позволяющих полностью переосмыслить технологический цикл роста такого рода наногетероструктур. Во-первых, за счет реализации технологии “податливых подложек”, представляющих собой нанопористый слой кремния и сформированную на нем эпитаксиальную структуру с одномерной (наноколончатой) геометрией. Этот прием позволит максимально успешно интегрировать в одном устройстве химически разнородные материалы с образованием «гибридных» наногетероструктур, объединяющих полупроводниковые соединения группы AIIIBVи нитридов третьей группы с кремнием. Во-вторых, за счет использования технологии управляемого роста сверхструктурных фаз упорядочения в эпитаксиальном слое AIIIBV/A3N. Эти сверхструктуры, полученные в одномерной форме, не только обладают уникальными функциональными свойствами, отличными от свойств неупорядоченных твердых растворов того же состава, но и способны подстроиться под любую (в частности, «идеальную») длину связи и угол связи, тем самым минимизировать высокую степень рассогласования кристаллических решеток. Результаты наших предварительных исследований уже продемонстрировали уникальную перспективу этого подхода: такой неординарный подход улучшит эпитаксию, за счет эффективной релаксации решеточных напряжений способствует успешной интеграции полупроводниковых соединений AIIIBVи нитридов A3N с высокой степенью рассогласования с подложкой Si, поможет избавиться от возникновения антифазных доменов в эпитаксиальном слое, а также даст шанс совместить в одном гибридном наноразмерном устройстве лучшие транспортные и оптические характеристики различных материалов и позволит добиться появления высоких функциональных свойств у финального устройства. В результате выполнения проекта будет разработана новая воспроизводимая технология получения гибридных наногетероструктур пониженной размерности на основе полупроводниковых соединений группы AIIIBV, нитридов A3N и пористого кремния, а также исследованы их фундаментальные свойства. Развитие технологии получения гибридных структур, на основе интегрированных в широких областях составов соединений A3B5/A3N с кремнием является приоритетной и актуальной фундаментальной задачей в физике и технологии эпитаксиальных гетероструктур. В проекте будут объединены усилия молодых ученых – представителей ВУЗовской (Воронежский Университет и Академический Университет РАН) и Академической науки (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), давно и плодотворно работающих в Совместной лабораторией физики наногетероструктур и полупроводниковых материалов Воронежского государственного университета и ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. С учетом уже имеющегося у нашего авторского коллектива научного задела в области Проекта не вызывает сомнений его успешное выполнение и решение всех поставленных в Проекте задач. Предлагаемые в заявляемом Проекте подходы по своей новизне и перспективности соответствуют мировому уровню и тенденциям в области наноэлектроники и фотоники, а также имеют большой инновационный и коммерческий потенциал для импортозамещения в сегменте создания элементов оптоэлектронной компонентной базы. Планируемый результат не будет иметь аналогов или сопоставимых прототипов в России и частично за рубежом. В результате выполнения Проекта будут подготовлены и опубликованы не менее 12 статей в журналах мирового уровня, в том числе из перечня журналов входящих в первый и второй квартиль Q1/Q2, а также направлены заявки на получение патентов. Полученные в Проекте результаты позволят ускорить развитие в Российской Федерации фотоники, как отрасли высоких технологий, являющейся базовой для современного развития телекоммуникаций, систем регистрации, хранения, обработки и отображения информации, изготовления и контроля элементов нано и оптоэлектроники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Д. Золотухин, А. Леньшин, Д. Голощапов, А. Мизеров, И. Арсентьев, H. Leiste, П. Середин Structural and morphological characteristics of GaN-based hybrid heterostructures grown on por-Si Journal of Physics: Conference Series, 1400 (2019) 055018 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1400/5/055018

2. Д. Золотухин, А. Леньшин, Д. Голощапов, А. Мизеров, И. Арсентьев, Х. Лейсте, М. Ринке, П. Середин Electronic structure and optical characteristics of the hybrid GaN/por-Si heterostructures Journal of Physics: Conference Series, 1400, (2019), 055019 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1400/5/055019

3. Середин П.В., Ляйсте Х., Леньшин А.С., Мизеров А.М. Effect of the transition porous silicon layer on the properties of hybrid GaN/SiC/por-Si/Si(1 1 1) heterostructures Applied Surface Science, Volume 508, 1 April 2020, Номер статьи 145267 (год публикации - 2020)
10.1016/j.apsusc.2020.145267

4. Середин П.В., Ляйсте Х., Леньшин А.С., Мизеров А.М. HRXRD study of the effect of a nanoporous silicon layer on the epitaxial growth quality of GaN layer on the templates of SiC/por-Si/c-Si Results in Physics, Volume 16, March 2020, Номер статьи 102919 (год публикации - 2020)
10.1016/j.rinp.2019.102919

5. Середин П.В., Голощапов Д.Л., Золотухин Д.С. , Леньшин А.С. , Худяков Ю.Ю. , Мизеров А.М., Тимошнев С.Н., Арсентьев И.Н. , Бельтюков А.Н., Harald Leiste, Кукушкин С.А. Влияние слоя нанопористого кремния на практическую реализацию и особенности эпитаксиального роста слоев GaN на темплейтах SiC/por-Si/c-Si Физика и техника полупроводников, Физика и техника полупроводников, 2020, том 54, вып. 5 c 491-503. (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.05.49268.9317

6. П.В. Середин, Д.Л. Голощапов, Д.С. Золотухин, А.С. Леньшин, А.М. Мизеров, С.Н. Тимошнев, Е.В. Никитина, И.Н. Арсентьев, С.А. Кукушкин Оптические свойства гибридных гетероструктур GaN/SiC/por-Si/Si(111) Физика и техника полупроводников, Физика и техника полупроводников, 2020, том 54, вып. 4 c. 349-354. (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.04.49138.9323

7. Д.С. Золотухин , Д.Л. Голощапов , А.С. Леньшин , А.М. Мизеров, В. Арсентьев, П.В. Середин, Observation of the influence of complex sic porous buffer layer on properties of GAN/SI(111) heterostructures Journal of Physics: Conference Series, 1695 (2020) 012043 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1695/1/012043

8. А. С. Леньшин, А. Н. Лукин, Я. А. Пешков, С. В. Канныкин, Б. Л. Агапов,П. В. Середин, Э. П. Домашевская Особенности двухстадийного формирования структур макропористого и мезопористого кремния Конденсированные среды и межфазные границы. 2021;23(1): 41–48, 2021; 23(1): 41–48 (год публикации - 2021)
10.17308/kcmf.2021.23/3300

9. П.В. Середин, К.А. Барков, Д.Л. Голощапов, А.С. Леньшин, Ю.Ю. Худяков, И.Н. Арсентьев, А.А. Лебедев, Ш.Ш. Шарофидинов, А.М. Мизеров, И.А. Касаткин, Tatiana Prutskij Влияние предобработки подложки кремния на свойства пленок GaN, выращенных методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии Физика и техника полупроводников, 2021, том 55, вып. 8 c. 704-710 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.08.51144.9660

10. П.В. Середин, Д. Голощапов, А. Леньшин, И.А. Касаткин Effect of combination of etching modes on the design, structural and optical properties of the compliant substrates based on porous silicon Optical Materials, 119 (2021) 111358 (год публикации - 2021)
10.1016/j.optmat.2021.111358

11. Леньшин А.С., Пешков Я.А., Гречкина М.В., Канныкин С.В., Юраков Ю.А. X-ray reflectivity investigation of multilayer macroporous silicon structures Journal of Physics: Conference Series, 1984 (2021) 012018 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1984/1/012018

12. П.В. Середин, А.С. Леньшин, Abduljabbar Riyad Khuder, Д.Л. Голощапов, М.А. Хараджиди, И.Н. Арсентьев, И.А. Касаткин Свойства податливых подложек на основе пористого кремния, сформированных двухстадийным травлением Физика и техника полупроводников, том 55, вып. 11, C. 1021-1026 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.11.51555.9707

13. Д Золотухин, П Середин, А Леньшин, Д Голощапов, Ю Худяков, О Радам Али, И Арсентьев , Х Леисте Optical and structural properties of the GaAs heterostructures grown using AlGaAs superlattice buffer layer on compliant Si(100) substrates with the preformed porous-Si (por-Si) layer Journal of Physics: Conference Series, D Zolotukhin et al 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2086 012046 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2086/1/012046

14. Леньшин А. С, Золотухин Д. С., Бельтюков А. Н., Середин П. В., Мизеров А. М., Касаткин И. А., Радам А. О., Домашевская Э. П. Особенности роста и состава гетероструктур AlxGa1-xN/AlN/Si, выращенных c использованием буферного слоя пористого кремния. Конденсированные среды и межфазные границы, 24(1): 51-58 (год публикации - 2022)
10.17308/kcmf.2022.24/9055

15. Леньшин А. С, Золотухин Д. С., Бельтюков А. Н., Середин П. В., Мизеров А. М. Characteristics of the growth and composition of AlxGa1-xN/AlN/Si heterostructures with the use of the buffer layer of porous silicon Journal of Physics: Conference Series, 2227 (2022) 012005 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2227/1/012005

16. Леньшин А.С. , Павел Середин П.В., Голощапов Д.Л., Али О. Радам и Мизеров А. М. MicroRaman Study of Nanostructured Ultra-Thin AlGaN/GaN Thin Films Grown on Hybrid Compliant SiC/Por-Si Substrates Coatings, 2022, 12(5), 626 (год публикации - 2022)
10.3390/coatings12050626

17. П.В. Середин, Д. Голощапов, Али О Радам, А.С. Леньшин, Н.С. Буйлов, А.М. Мизеров, И.А. Касаткин Comparative study of nanostructured ultra-thin AlGaN/GaN heterostructures grown on hybrid compliant SiC/porSi substrates by molecular beam epitaxy with plasma nitrogen activation Optical Materials, 128 (2022) 112346 (год публикации - 2022)
10.1016/j.optmat.2022.112346

18. П.В. Середин, Али О. Радам, Д.Л. Голощапов, А.С. Леньшин, Н.С. Буйлов, К.А. Барков, Д.Н. Нестеров, А.М. Мизеров, С.Н. Тимошнев, Е.В. Никитина, И.Н. Арсентьев, Ш. Шарофидинов, Л.С. Вавилова, С.А. Кукушкин, И.А. Касаткин Рост тонкопленочных AlGaN/GaN эпитаксиальных гетероструктур на гибридных подложках, содержащих слои карбида кремния и пористого кремния Физика и техника полупроводников, 2022, том 56, вып. 6 (год публикации - 2022)

Публикации