Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019/2020 отчетном году во время выполнения первого этапа работ по Проекту выполнена следующая работа и получены следующие конкретные результаты: 1. Определение в рамках развитых кинетической и термодинамической теории роста наноструктур оптимальных режимов получения наноколончатых структур в системах Al-Ga-In-As-P и In-Al-Ga-N на рассогласованных подложках, в т.ч. на нанопористом кремнии, а также наногетероструктур на основе многокомпонентных твердых растворов и с квазиупорядочением Исследования показали, что в случае выращивания слоев AlxGa1-xN (x=0-1 отн.ед.) в металл-обогащенных условиях, скорость роста определяется потоком активированного азота FN, а состав - потоком Al (как x=FAl/FN), имеющим единичный коэффициент встраивания при использованных условиях роста. FGa в данном случае на состав не влияет, а избыточный Ga задает морфологию поверхности роста. Данное поведение содержания Al в металл-обогащенных условиях роста позволяет с существенно большей точностью и воспроизводимостью управлять профилем состава слоев AlGaN чем в случаях роста при единичных или азот-обогащенных стехиометрических условиях. 2. Развитие физико-технологических подходов в рамках методом МПЭ ПА эпитаксии формирования слоев AIIIBV и AIIIN, в том числе на основе многокомпонентных твердых растворов с квазиупорядочением, интегрированных с кремнием; С использованием метода молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота на податливых подложках por-Si(111) нами были выращены интегрированные гетероструктуры с наноколончатой морфологией пленки InxGa1-xN. Результаты исследования показали, что преимущественная ориентация роста наноколонок InxGa1-xN ближе к направлению ориентации подложки у гетероструктуры, выращенной на пористом слое Si. Кристаллографическая однородность наноколонок InxGa1-xN выращенных на пористом слое она лучше, чем для InxGa1-xN на монокристаллической подложке Si. Рост наноколонок InxGa1-xN на пористом слое Si положительно отражается на оптических свойствах гетероструктур. При неизменной полуширине эмиссионной линии в спектре ФЛ интенсивность квантового выхода от образца гетероструктуры, выращенной на пористом буферном слое Si выше на величину ~ 25% , чем интенсивность от пленки, выращенной на кристаллическом кремнии. 3. Подбор условий формирования на por-Si многокомпонентных эпитаксиальных слоев AIIIBV и AIIIN с низким уровнем дислокаций и дефектов, гладкой и нерастрескивающейся поверхностью, а также высоким оптическим совершенством; Использование податливой por-Si подложки позволило снизить плотности краевых и винтовых дислокаций по сравнению со значениями, наблюдаемыми для аналогичных слоев, сформированных на c-Si подложке. Использование высокотемпературной нитридизации “податливой” подложки por-Si позволило предотвратить Ga – Si процесс травления, сохранить резкий гладкий интерфейс Si-GaN, а также частично подавить генерацию напряжений растяжения, возникающих при охлаждении гетероструктуры от температуры роста до комнатной путем ее релаксации на нанопористом Si-GaN интерфейсе. 4. Подбор условий формирования на por-Si качественного эпитаксиального слоя AIIIBV одновременно с возникновением наноструктурированных областей. С использованием метода MOCVD на подложках Si(100) c различной степенью разориентации от направления [100] и предварительной обработки в виде травления нами были получены интегрированные эпитаксиальные гетероструктуры GaxIn1-xP /Si(100), структурные и оптические свойства которых были сопоставлены со свойствами GaxIn1-xP, выращенного на точноориентированной подложке GaAs(100). 5. Анализ влияния толщин слоев AIIIBV с квазиупорядочением и размерных параметров на характеристики лабораторных образцов. С привлечением комплекса структурно-спектроскопиченских методов анализа (высокоразрешающая рентгеновская дифракция с картированием обратного пространства, сканирующая электронная микроскопия, ИК, ФЛ и УВ спектроскопия) показано, что рост эпитаксиального слоя GaxIn1-xP c квазиупорядочением методом MOCVD при выбранных условиях роста на подложке Si с разориентацией позволяет получить пленку GaxIn1-xP в монокристаллическом состоянии и с возникновением на ее поверхности доменов и областей со сверхупорядочением. Стоит отметить, что увеличение степени разориентации подложки с 3 до 7 o ведет к росту более чем в 3 раза коэффициента релаксации, что негативно отражается на ее структурном качестве. Период упорядочения нанорельефа у образов с малым рассогласованием (1 – 3 o) составляет примерно ~50-75 нм при средней высоте рельефа около 5-10 нм. При этом доля наноразмерных неоднородностей у гетероструктуры с ростом толщины пленок от 100 до 500 nm возрастает от 5 -10% до 20% от площади поверхности. 6. Получение методами МПЭ и МОС-гидридной эпитаксии, а также методом ионно-плазменного напыления, гибридных гетероструктур на основе полупроводниковых соединений группы AIIIBV, нитридов AIIIN и пористого кремния por-Si Базируясь на полученных в ходе проведения первого этапа выполнения Проекта данных методами МПЭ ПА и МОС-гидридной эпитаксии для дальнейших фундаментальных исследований были получены гибридные гетероструктуры следующих типов: GaxIn1-xP/por-Si, GaN/por-Si, GaInN/por-Si. 7. Получение новых экспериментальных результатов на основе фундаментальных исследований гибридных наногетероструктур В результате проведения экспериментов были определены параметры изучаемых низкоразмерных полупроводниковым систем: параметры решетки и механические напряжения эпитаксиальных гибридных гетероструктур, появление неоднородностей в них, преимущественная форма неоднородностей, их размер, состав и механические деформации при этом; частоты оптических и интерфейсных фононов в образцах, электронно-энергетическое строение и фотолюминесцентные свойства. Результаты показывают, что использование «податливых» Si подложек является применимым подходом для формирования гибридных полупроводниковых приборных гетероструктур на основе A3B5 и AIIIN методами МПЭ ПА и МОС-гидридной эпитаксии.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Подобраны условия формирования эпитаксиальных слоев AIIIN на податливых подложках SiC/por-Si/Si, в которых слой SiC сформирован методом замещения атомов, с целью повышения кристаллического совершенства и оптических характеристик эпитаксиального AIIIN слоя; Использование технологии МПЭ ПА для синтеза GaN на виртуальной подложке SiC/por-Si/c-Si позволило нам получить пленку GaN с высоким структурным качеством без образования трещин. Основываясь на полученных нами экспериментальных результатах, технологических данных, а также информации из уже известных литературных источников, мы считаем, что использование темплейтов SiC/por-Si для последующего роста на них пленок GaN имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению со стандартными подложками. 2. Смоделированы условия и получены образцы интегрированных структур с аномально-высокими подвижностью заряда и проводимостью для заданных концентраций атомов в эпитаксиальной пленке гибридной гетероструктуры. Повышение быстродействия функциональных элементов современной оптоэлектронной базы может быть достигнуто путем применения различных технологических приемов на основе метода низкотемпературной МОС-гидридной эпитаксии с учетом особенностей физических свойств материалов за счет использования эффектов аномально-высокой подвижности носителей заряда в эпитаксиальном слое гетеропары (AlxGa1-xAs)1-yCy/Si(100). 3. Исследована эволюция прорастающих дислокаций и деформационного состояния эпитаксиального слоя в гибридных гетероструктурах с привлечением высокоразрешающей рентгеновской дифракции с использованием картирования обратного q-пространства образцов, а также определение условий эффективного перераспределения напряжений в “податливый” слой. На основании данных рентгеновской дифракции удалось показать, что в случае роста пленок GaN на “податливой” подложке por-Si наблюдается практически когерентный эпитаксиальный рост слоя GaN. Кристаллическая ячейка эпитаксиального слоя GaN хорошо согласована по параметру решетки с пористым подслоем в плоскости роста, а в направлении роста в виду пуассоновского эффекта элементарная ячейка испытывает значительную дисторсию (D~4). Рост слоя GaN на монокристаллической подложке c-Si приводит росту эпитаксиального слоя GaN с частичной релаксацией кристаллической решетки как в плоскости, так и в направлении роста. Сформированные на первоначальном этапе синтеза наноколонны GaN в случае роста на стандартной подложке c-Si имеют большую разориентацию в плоскости роста (малоугольный поворот относительно друг друга) и наклон по отношению к нормали к поверхности образца, чем при росте на “податливой” подложке. Кроме того рост на податливой подложке por-Si позволил снизить плотности краевых и винтовых дислокаций по сравнению с величинами аналогичных коэффициентов для слоя, выращенного на c-Si. 4. Исследовано электронное строение и определен фазовый состав гибридных наногетероструктур методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии; Использование “податливой” подложки por-Si для синтеза GaN методом МПЭ ПА позволило получить GaN слой стабильного состава, что позитивно отразилось на его оптических свойствах в области UV. 5. Установлено влияния физической и физико-химической природы подложек Si разной ориентации на эпитаксиальный рост и фундаментальные свойства гибридных наногетероструктур; На основе анализа данных комплекса структурно-спектроскопических и электрофизических исследований удалось показать, что оптимальные структурные, оптические и электрофизические характеристики эпитаксиальные пленки AlxGa1-xN/AlN имеют в случае роста на податливых подложках por-Si/Si(111).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Одним из основных барьеров в увеличении темпов развития оптоэлектронной промышленности, а также солнечной фотоэнергетики является относительно высокая себестоимость конечного продукта, поскольку основными материалами для производства такого рода высокоэффективных устройств являются полупроводниковые подложки AIIIBV. Кроме того, созданные на основе AIIIBV приборы и устройства потребляют больше энергии, чем их кремниевые аналоги. Поэтому одним из наиболее высокоперспективных способов улучшения характеристик создаваемых приборов, снижения их энергопотребления, увеличения пропускной способности, чем у существующих сейчас оптоэлектронных элементов, а значит, повышения эффективности и, что немаловажно, уменьшения издержек их производства является интегрирование оптических функциональных элементов на основе соединений AIIIBV и нитридов третьей группы AIIIN на кремниевом чипе, поскольку это позволит еще больше миниатюризировать полупроводниковые системы за счет очень высокой интеграционной плотности и создавать однокристальные решения. Интеграция III-V и III-N соединений полупроводниковых материалов с кремнием предоставляет уникальную возможность совместить преимущества передовых полупроводниковых материалов с возможностями, установленными кремниевых технологий и позволит создать новый класс высокопроизводительных оптических приборов. В отчетном периоде были отработаны технологии роста гибридных наногетероструктур AIIIBV/сверхструктурная фаза (SL)/por-Si, позволяющие получить образцы с воспроизводимым составом, подвижностью и концентрацией носителей заряда в эпитаксиальном слое, интенсивностью и положением полосы фотолюминесценции, а также высоким совершенством структурного качества слоя, подтверждаемого рентгендифракционными исследованиями; Отработаны режимы контролируемого управления рядом электрооптических и электрических свойств гибридных гетероструктур AIIIN/por-Si, полученных методом хлорид-гидридной эпитаксии; Установлены взаимосвязи локальной атомной структуры и химического окружения, оптических характеристик и энергетического спектра эпитаксиальных гибридных наногетероструктур AlxGa1-xN/por-Si, выращенных с вискерной морфологией пленки, в зависимости от основных управляющих параметров процессов эпитаксиального роста и способов формирования "податливой" подложки por-Si; Разработаны технологические режимы создания податливых подложек por-Si методом двухстадийного электрохимического травления, а также исследованы их структурные, морфологические и оптические характеристики. По результатам выполненных на данном этапе работ был опубликован ряд научных статей в высокорейтинговых журналах из списка WOS и Scopus, такие как Optical Materials, Coatings, а также Физика и Техника полупроводников.