Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Методами математического моделирования проведены исследования процессов плазмонного усиления электромагнитного поля в фотоприемниках ближнего инфракрасного диапазона (1.3–1.55 мкм) на базе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge, интегрированных с субволновыми дифракционными решетками. Двумерные регулярные решетки круглых отверстий различного диаметра в золотой пленке выступали в качестве метаповерхностей, позволяющих преобразовать внешнее электромагнитное излучение в поверхностные плазмонные моды на границе Au-Si. Период субволновых решеток выбирался таким образом, чтобы поверхностный плазмонный резонанс находился в области телекоммуникационных длин волн и в спектральной полосе чувствительности фотодетекторов Ge/Si, и варьировался от 300 до 400 нм. Величина пикового плазмонного усиления ближнего поля и его спектральное положение, как функция диаметра отверстий решетки и ее периода, демонстрирует максимум, при котором происходит смена блоховских плазмон-поляритонных волн, распространяющихся вдоль границы Au–Si, локализованными поверхностными плазмонными модами. Показано, что максимальная величина напряженности электромагнитного поля и максимальная длина волны плазмонного резонанса достигаются при выполнении условия, когда диаметр отверстий равен половине периода решетки. Установлено, что двумерные решетки отверстий с периодом 400 нм и диаметром 200 нм на длине волны 1.54 мкм обеспечивают четырнадцатикратное усиление ближне-полевых компонент в активной области детекторов по сравнению со структурами, не содержащими плазмонные структуры. Обнаружены явления локализации поверхностных плазмонных возбуждений и формирование смешанного состояний локализованных и распространяющихся плазмонных мод. Показано, что локализованная плазмонная мода размещена вдоль диагоналей решетки на границе Au–Si. На дисперсионных характеристиках поверхностных плазмонных возбуждений в гетероструктурах с максимальными отверстиями решетки обнаружен антипересечение локализованной моды с распространяющейся плазмон-поляритонной блоховской волной, что свидетельствует о взаимодействии плазмонных возбуждений разного типа и формировании гибридного состояния ближнего поля. Разработаны и созданы структуры с наночастицами Ag, нанесёнными на поверхность полупроводниковой гетероструктуры Ge/Si с встроенными квантовыми точками (КТ). Процедура формирования гибридных структур с SiGe КТ, совмещёнными с наночастицами Ag, включала в себя два основных этапа. На первом этапе методом молекулярно лучевой эпитаксии при температуре 700^{\circ}С на подложках Si(100) формировалось слои вертикально совмещённых SiGe КТ, которые затем закрывались защитным слоем кремния. На втором этапе на поверхность созданных гетероструктур с SiGe КТ при температуре 500^{\circ}С проводилось вакуумное осаждение Ag с эффективной толщиной слоя ~ 1.2 нм, что приводило к зарождению и росту трёхмерных наноостровков серебра. Проведены измерения фотолюминесценции (ФЛ) от созданных гибридных структур со встроенными на разной глубине SiGe КТ для двух длин волн возбуждающего лазерного излучения 532 и 405 нм. Было получено, что величина эффекта плазмонного усиления интенсивности ФЛ от SiGe КТ в гибридных структурах с металлическими наночастицами практически не зависит от длины волны возбуждающего лазера и уменьшается с увеличением глубины залегания КТ. Методом конечных элементов проведено моделирование пространственного распределения электромагнитного поля в гибридной структуре с наночастицами Ag, нанесёнными на поверхность кремниевой подложки со встроенными квантовыми точками. Это позволило получить данные об усилении излучения от квантовых точек за счёт локального возрастания напряжённости электрического поля при возбуждении плазмонных колебаний в наночастицах Ag. Вычисления проводились для различных размеров металлических наночастиц и различной удалённости КТ от границы раздела между кремниевой подложкой и металлическим наноостровком. Параметры металлических наночастиц выбраны близкими к параметрам трёхмерных наноостровков Ag, получаемых при осаждении Ag поверх гетероструктур Ge/Si c квантовыми точками. Было получено, что взаимодействие излучателя (квантовой точки) с металлической частицей, в области длин волн соответствующих плазмонному резонансу, приводит к значительному (более чем на порядок) увеличению выхода излучения из структуры. Моделирование показало, что оптимальный размер наноостровков Ag, обеспечивающий максимальную близость длины волны плазмонного резонанса к длине волны излучения SiGe КТ составляет около 150 нм. Было получено, что эффект усиления зависит от удалённости КТ от металлических наночастиц. Так, при увеличении глубины залегания КТ с 10 до 20 нм коэффициент усиления уменьшается примерно в 2 раза, что обусловлено уменьшением напряжённости электрического поля вблизи квантовой точки.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Массивы металлических наночастиц в определенных условиях могут поддерживать поверхностные плазмонные моды от видимого до инфракрасного спектрального диапазона и, таким образом, обеспечивать эффективное связывание оптической волны на нанометровых масштабах, усиление локальных полей и взаимодействие с тонкими активными областями оптических устройств. Это явление было использовано для повышения квантовой эффективности фотодетекторов Ge/Si с квантовыми точками Ge. С помощью электронной литографии сформированы массивы металлических нанодисков на поверхности планарных фотодетекторов Ge/Si, выращенных на подложках кремний-на-изоляторе (КНИ). Двумерные периодические решетки дисков из золота или алюминия имели период 400 нм, диаметр дисков варьировался от 150 до 225 нм. Обнаружено многократное усиление фототока, связанного с межзонными оптическими переходами в квантовых точках, в диапазоне телекоммуникационных длин волн. Проведенный теоретический анализ распределения компонент ближнего поля и измерения спектров пропускания показали, что увеличение квантовой эффективности в области 1.6 мкм связано с возбуждением локализованного поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела металл/Si, а усиление фототока в диапазоне 1.2-1.3 мкм обусловлено генерацией смешанных плазмон-волноводных мод в слое кремний-на изоляторе (КНИ). Исследовано влияние подслоев Ti, необходимых для повышения адгезии пленок Au к поверхности Si, на эффективность плазмонного усиления фототока. Обнаружено, что при увеличении толщины слоя Ti от 1 до 5 нм коэффициент усиления фототока снижается с 10 до 2 на длине волны 1.2 мкм и с 3.6 до 1.8 при \lambda=1.65 мкм. Выбор алюминиевых нанодисков, не требующих адгезионных слоев, позволяет повысить эффективность фотоприемников до 40 раз при \lambda=1.2 мкм и в 15 раз при \lambda=1.65 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования наночастиц Al в качестве недорогого плазмонного материала с потенциальными применениями в инфракрасных плазмонных фотодетекторах, аналогично благородным металлам. В части усиления фотолюминесценции GeSi квантовых точек применение принципов наноплазмоники также также обеспечило многократное усиление интенсивности фотолюминесценции квантовых точек в присутствии наночастиц серебра, сформированных в процессе самоорганизованного роста. Показано, что эффект усиления сохраняется для всех уровней мощности накачки, при этом положение линии фотолюминесценции не меняется, что является характерным свойством прямых в пространстве переходов. На основе проведенных расчетов и дополнительных измерений ФЛ при гелиевых температурах установлен возможный механизм наблюдаемого усиления: увеличение скорости излучательной рекомбинации носителей заряда, локализованных на КТ, в присутствии металлических частиц. Проведена разработка, создание гибридных структур с Al наночастицами и GeSi квантовыми точками с использованием электронной литографии и исследование спектров микро-фотолюминесценции от гибридных структур с периодическим массивом Al наночастиц, нанесенным поверх слоя GeSi квантовых точек. Для структур с массивом Al наночастиц получено усиление интенсивности ФЛ от GeSi квантовых точек. Установлена зависимость усиления интенсивности ФЛ от параметров структуры с квантовыми точками и металлическими наночастицами (размер и взаимное расположение). Получено, что существует оптимальный период массива металлических наночастиц (420 нм), при котором происходит наибольшее усиление ФЛ. Проведено моделирование зависимостей излучательной и безызлучательной рекомбинации носителей заряда на квантовых точках от удаленности от слоя металлических частиц. Рассчитана квантовая эффективность в присутствии металлических частиц, как отношение скорости излучательной рекомбинации к сумме скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации. Получено, что для GeSi квантовых точек квантовая эффективность возрастает с уменьшением расстояния до металлической частицы. Результат зависит от величины исходной квантовой эффективности без металлических частиц. При увеличении данного параметра на порядок функциональная зависимость становится немонотонной, на определенном расстоянии от металлической частицы, квантовая эффективность проходит через максимум. Разработан метод роста двумерных пленок CaSi_2 из молекулярных пучков для формирования на их основе метаповерхностей с металлической проводимостью поверх слоев GeSi квантовых точек. В основе метода лежит применение облучения электронным пучком с энергией 20 кэВ с плотностью тока 50 мкА/м^2 при эпитаксии CaF_2 на Si.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Фотонные приборы, содержащие полупроводники IV группы такие, как Si и Ge, весьма привлекательны из-за их совместимости с интегрированной платформой кремниевой фотоники. Несмотря на недавний прогресс в создании фотоприемников с квантовыми точками (КТ) Ge/Si, их низкая квантовая эффективность по-прежнему остается серьезной проблемой и требует развития новых подходов, обеспечивающих значительное усиление оптического поглощения и фотоотклика в гетероструктурах с КТ. В настоящей работе предложен и реализован подход, позволяющий многократно увеличить квантовую эффективность кремниевых pin-фотодиодов с квантовыми точками (КТ) Ge в ближнем ИК диапазоне. Основу подхода составляет использование фотонных ловушек или фотонных кристаллов (ФК), помещенных в активную область детекторов. Такими ловушками служат субволновые периодические решетки отверстий на поверхности полупроводника с периодом, сравнимым с длиной волны оптического излучения. Обнаружено, что максимальное усиление чувствительности детектора в ближней ИК области спектра за счет ФК достигается для решетки отверстий с периодом 1700 нм и диаметром 1130 нм. За счет возбуждения планарных волноводных мод такие гетероструктуры демонстрируют 25-ти кратное увеличение фототока на длине волны 1.2 мкм и 34-х кратное увеличение фототока на длине волны 1.6 мкм по сравнению с образцами без массива фотонных ловушек. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования слоев квантовый точек Ge/Si, совмещенных с решетками микро/наноотверстиий, для детектирования излучения от телекоммуникационного O-диапазона длин волн (1260-1360 нм) до L-диапазона (1565-1625 нм). В ходе выполнения проекта на этапе 2021 г. были предложены и осуществлены подходы, обеспечивающие многократное увеличение интенсивности люминесценции (до 75 раз) светоизлучающих кремниевых гетероструктур с квантовыми точками Ge/Si в ближнем ИК диапазонах. В основе данных подходов были использованы принципы наноплазмоники, оригинальные, разработанные авторами, методы создания гибридных гетероструктур с упорядоченными массивами квантовых точек, сопряженными с регулярными металлическими наноструктурами на поверхности полупроводника. Были созданы гибридные структуры с различным пространственным совмещением Al наночастиц и GeSi квантовых точек, упорядоченных в гексагональную и квадратную решетку На этих структурах проведено различное пространственное совмещение квантовых точек и Al дисков, полное совмещение, краевое совмещение и полупериодное совмещение, когда квантовые точки находятся на середине отрезков, соединяющих соседние Al диски. Проведены тестовые измерения созданных структур методом микро-фотолюминесценции. Получено хорошее согласие с расчетными результатами. В результате проведенных исследований найдены оптимальные параметры массивов Al нанодисков для получения максимального эффекта усиления ФЛ. При оптимальном периоде массива Al дисков a = 445 нм коэффициент усиления составляет 42, что практически в три раза превышает коэффициент усиления излучения для случая изолированного Al диска. Проведена проверка влияния пространственного совмещения Al нанодисков и GeSi квантовых точек на величину эффекта усиления ФЛ. Получено резкое снижение коэффициента усиления при удалении квантовой точки (центра излучения) от края Al диска (оптимальное положение КТ). Исследованы преимущества подложек КНИ (кремний-на-изоляторе) для создания плазмонных структур для усиления излучения GeSi квантовых точек. Получено, что при использования КНИ-подложек можно получить дополнительное усиление сигнала люминесценции от квантовых точек. Также были проведены исследования возможности синтеза SiGe наноструктур c помощью ионной имплантации германия и последующего термического отжига. Разработанный подход позволяет без дорогостоящей методики молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) синтезировать SiGe наноструктуры, обеспечивающие прямые оптические переходы и высокую эффективность излучательной рекомбинации. Структуры демонстрируют высокую термическую стабильность ФЛ и наиболее высокий коэффициент усиления интенсивности излучения (до 75 раз при 200К) по сравнению со структурами с SiGe квантовыми точками, созданными традиционной МЛЭ.