КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-72-30010

НазваниеОптоэлектронные приборы на основе наноструктур А3В5 различной размерности на кремнии

РуководительЖуков Алексей Евгеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук", г Санкт-Петербург

Годы выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2022 

КонкурсКонкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаКвантовые точки, нанопроволоки, передача данных, оптический микрорезонатор, микродисковый лазер, оптический микро-приемо-передатчик, А3В5 на кремнии, эпитаксия, кремниевая фотоника, оптический источник на кристалле

Код ГРНТИ29.19.22, 29.33.15, 29.19.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Основной научной проблемой, на решение которой направлен настоящий проект, является получение новых знаний о физических процессах и фундаментальных ограничениях, определяющих характеристики прямого и обратного преобразования ток-лазерное излучение в микрорезонаторах с активной областью на основе гетероструктур с различной квантовой размерностью (планарные эпитаксиальные структуры с массивами квантовых точек, нанопроволоки с квантовыми ямами или с квантовыми точками) прямозонных полупроводниковых материалов А3В5, эпитаксиально синтезируемых на кремниевых подложках. Практическим результатом, на достижение которого направлен проект, является определение наиболее оптимального типа и размерности гетероструктуры А3В5, ее конструкции и технологии синтеза, а также метода изготовления оптических микрорезонаторов для интеграции А3В5 с кремнием – основным материалом микроэлектроники, создание оптоэлектронных компонент на основе материалов А3В5 (в том числе, оптического микро-трансивера) на кремнии, демонстрация возможности построения интегральных оптоэлектронных сетей для реализации оптической связи на малые и сверхмалые расстояния (вплоть до оптической связи между интегральными схемами и даже внутри интегральной схемы). Актуальность проекта обусловлена потребностью в увеличении скорости обработки данных кремниевыми интегральными микросхемами и преодоления проблемы чрезмерного тепловыделения за счет постепенного перехода от полностью электронных систем обмена данными к оптическим системам связи, в том числе и на предельно коротких расстояниях. Существующие лазерные диоды не могут быть использованы для этих целей вследствие неприемлемо больших размеров, большого энергопотребления, сложности конструкции и/или невозможности интеграции с кремнием. Научная проблематика проекта состоит в разработке новых подходов, которые смогут обеспечить излучение света лазерным источником под действием инжекционной накачки и обратное преобразование света в электрический сигнал фотоприемником с высокой эффективностью и скоростью при условии монолитной интеграции этих оптоэлектронных компонент с кремнием. С решением этой проблемы неразрывно связаны следующие важнейшие практические задачи, решаемые в рамках проекта и имеющие как фундаментальный, так и технологический аспекты – достижение высокого оптического качества материала активной области оптоэлектронных компонент А3В5 на кремнии, создание оптоэлектронных компонент достаточно малых (микронных) размеров, соответствующих характерным размерам приборов микроэлектроники, достижение работоспособности приборов в условиях повышенных температур, соответствующих типичным условиям работы электронных микросхем, и, наконец, достижение высокого быстродействия при оптической передаче данных с помощью монолитно интегрированных оптоэлектронных приборов на кремнии. В рамках проекта будут развиты два подхода к созданию оптоэлектронных приборных структур на кремнии на основе материалов А3В5 и осуществлено их сравнение с точки зрения простоты реализации и достижимых характеристик: - микродисковые резонаторы, изготовленные методами пост-ростовой обработки из планарных эпитаксиальных структур А3В5 на кремнии с активной областью на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек; - нанопроволоки А3В5 на кремнии с активной областью в виде квантовых ям или квантовых точек. Первый подход, хотя и является более сложным с точки зрения достижения бездефектности активной области при эпитаксиальном синтезе, открывает возможность формирования планарных эпитаксиальных гетероструктур, слоевая конструкция которых близка к конструкции традиционного полупроводникового лазера. Это облегчает изготовление на их основе различных оптоэлектронных приборов с использованием достаточно хорошо развитых методов пост-ростовой обработки. Кроме того, применение квантовых точек, обладающих большой энергией локализации, способствует подавлению транспорта носителей заряда и, как результат, снижает чувствительность активной области к дефектам, неизбежным при эпитаксиальном синтезе планарных структур А3В5 на кремнии. Второй подход, основанный на использовании нанопроволок (нитевидных нанокристаллов), проще с точки зрения достижения высокого структурного совершенства при синтезе А3В5 на кремнии, поскольку нанопроволоки имеют малую площадь контакта с подложкой. Кроме того, для их изготовления могут быть использованы различные материалы А3В5 (как арсениды, так и фосфиды), что дает большую гибкость при конструировании приборов. В то же время, использование этого подхода требует разработки новых приборных конструкций, в основе которых лежали бы одиночные нитевидные нанокристаллы или их массивы, и прежде всего отработку методов формирования контактов и микрорезонаторов. Базовыми оптоэлектронными приборами, которые предполагается создать и исследовать в рамках проекта, являются микролазер с оптическим резонатором с модами шепчущей галереи и выводом излучения параллельно плоскости подложки, микро-фотоприемник, а также микро-приемо-передатчик (оптический микро-трансивер) на основе этих двух элементов. В случае успешной реализации этих базовых оптоэлектронных компонент на кремнии, они могут быть интегрированы с волноводами, устройствами ввода-вывода, мультиплексорами/демультиплескорами и иными пассивными оптическими элементами, изготавливаемыми на основе кремния, что позволит реализовать прототип системы оптической связи на сверхмалые расстояния на кремнии. Научная новизна проекта заключается в том, что в нем впервые будет исследованы фундаментальные ограничения на предельно-малый размер микродискового лазера и микро-фотоприемника на основе синтезированных на кремнии полупроводников А3В5 с учетом специфических особенностей эпитаксиальных гетероструктур (планарные структуры с массивами квантовых точек или нанопроволоки). Впервые будут созданы микрорезонаторы и оптоэлектронные приборы на кремнии на основе нанопроволок, в том числе синтезируемых с помощью пространственно-селективной эпитаксии, и исследованы эффекты, обусловленные анизотропией и пространственным упорядочением их расположения. Впервые будут изучены и применены ранее не использовавшиеся в отношении инжекционных микродисковых лазеров и микро-фотоприемниковметоды методы пассивации и планаризации микрорезонаторов на кремнии, полученных различными способами, и оценен их эффект на характеристики оптоэлектронных компонент А3В5 на кремнии. В проекте впервые будет исследована взаимосвязь квантовой размерности активной области, формы лазерного микрорезонатора на кремнии, режимов его накачки и температуры с шириной линии излучения и частотным характером спектра и определены условия достижения одночастотной генерации, предельные значения коэффициента подавления боковых мод, согласования спектральных характеристик микролазера и микро-фотоприемника. Впервые будет исследована деградационная стойкость микролазеров. В рамках проекта впервые будут выполнены оценки быстродействия, достижимого при оптической передаче с помощью микро-приемо-передатчика, монолитно интегрированного с кремниевой подложкой.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут заложены научные и технологические основы создания компактных температурно-стабильных оптоэлектронных компонент на основе квантово-размерных гетероструктур (квантовые точки, нанопроволоки) материалов А3В5, монолитно интегрированных с кремнием, для нового поколения систем оптической связи и обработки информации, в том числе реализующих свою функциональность на кристалле (в составе оптоэлектронной интегральной схемы). Должны быть достигнуты следующие основные результаты: - Разработаны и оптимизированы конструкции оптоэлектронных приборов, которые будут формироваться на кремниевых подложках двумя альтернативными методами: (i) травлением планарных эпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs с квантовыми точками InAs/InGaAs, синтезированных на кремниевых подложках, и (ii) с помощью эпитаксиального выращивания нанопроволок (нитевидных нанокристаллов) достаточно большого диаметра диаметра (~ 1 мкм) или упорядоченных массивов нанопроволок меньшего диаметра c (In,Ga)(As,P) активной областью на основе квантовых ям или квантовых точек; - всесторонне исследованы механизмы роста нанопроволок в системе полупроводниковых соединений А3В5 на поверхности кремния с учетом формирования различных капель-катализаторов роста (в том числе, самокаталитические), кинетических и термодинамических аспектов, непосредственно влияющих на рост подобных объектов; рассмотрены случаи роста нанопроволок на подложках с встроенным зеркалом (например, SOI); определены минимальные/максимальные диаметры нанопроволок, обеспечивающие предельно малое количество структурных дефектов; - разработана технология синтеза упорядоченных массивов нанопроволок А3B5 для приборов оптонаноэлектроники на кремнии с использованием фотолитографии через массивы микросферических линз и селективной эпитаксии; - исследованы процессы легирования нанопроволок при молекулярно-пучковой эпитаксии, определены материалы и минимальные/максимальные уровни легирования для случаев р- и n-типа лигатур; рассмотрены факторы, влияющие на формирование гетероструктур в нанопроволках с целью достижения сверхрезких профилей по составу и созданы нанопроволоки с активной областью различной квантовой размерности (квантовые ямы и квантовые точки); - созданы микрорезонаторы на кремнии двумя различными методами: с помощью травления планарных эпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs с квантовыми точками InAs/InGaAs, синтезированных на кремниевых подложках, а также с помощью эпитаксиального выращивания нанопроволок заданного диаметра c узкозонными нановключениями. Исследованы их основные структурные (шероховатость и вертикальность стенок, точность и воспроизводимость достижения требуемого размера) и оптические (добротность, длина волны излучения активной области) характеристики; - предложены конструкции и созданы прототипы приборов нанофотоники на основе функциональных наногетероструктурированных упорядоченных нанопроволок А3В5 на кремнии; - исследовано влияние режимов синтеза и размеров нанопроволок, их формы и фазовой структуры на оптические характеристики, волноводные и микрорезонаторные свойства; - развиты методы пассивации боковых граней и планаризации микрорезонаторов, синтезированных на кремнии, и определено их влияние на эффективность излучательной рекомбинации, тепловое сопротивление, спектральные характеристики и оптические потери в микрорезонаторе; - разработана технология нанесения контактов как к одиночным нанопроволкам, синтезированным на кремнии, так и их массивам и отработаны методы формирования электрических соединений к микрорезонаторам малого размера (с диаметром не более 10 мкм), сформированным на кремнии из планарных эпитаксиальных гетероструктур; - разработаны и созданы микролазеры и микро-фотоприемники на кремнии на основе микрорезонаторов различного типа с диаметром не более 10 мкм, исследовано влияние квантовой размерности активной области на их характеристики; - экспериментально и с помощью моделирования будут исследованы характеристики ток-свет инжекционных микролазеров и свет-ток микро-фотоприемников на кремнии и установлены фундаментальные ограничения на предельно-малый размер микродискового лазера и микрофотоприемника на кремнии, накладываемые зависящими от диаметра резонатора оптическими потерями (на шероховатости стенок, утекание моды), а также вкладом безылучательной рекомбинации на боковых гранях; - всесторонне исследованы спектральные характеристики микролазеров и микро-фотоприемников на кремнии в зависимости от квантовой размерности активной области, формы и размеров микрорезонатора, температуры и режима работы. Наиболее существенными параметрами, подлежащими определению, являются температурная стабильность длины волны, модовый состав спектра генерации, согласование спектральных характеристик излучателя и приемника; - проведены деградационные испытания микродисковых лазеров и определены факторы, которые позволят обеспечить высокую временную стабильность спектральных и мощностных характеристик; - определены условия достижения одночастотной генерации и продемонстрированы инжекционные микродисковые лазеры, монолитно интегрированные с кремниевыми подложками, спектральные характеристики которых согласованы с полосой поглощения микро-фотоприемника, обладающие коэффициентом подавления боковых мод не менее 30 дБ и обладающие узкими (не более 0.03 нм) линиями излучения в режиме лазерной генерации; - развиты методы формирования направленного вывода излучения из микролазеров на кремнии с целью увеличения оптической связи между микро-лазером и микро-фотоприемником, монолитно интегрированными на кремниевой подложке, оценено влияние коэффициента связи на пороговые характеристики микролазера и эффективность микро-фотоприемника и определен оптимальный диапазон значений для работы микро-трансивера; - исследованы основные факторы, влияющие на быстродействие микро-приемопередатчика, монолитно интегрированного с кремниевой подложкой, работающего при комнатной и повышенных температурах; выполнены оценки быстродействия и предельной скорости передачи. Таким образом, в результате выполнения заявляемого проекта будет сделан существенный прорыв в направлении создания активных элементов кремниевой фотоники для будущих систем передачи и обработки информации, интегрированных с кремниевой транзисторной логикой. Это позволит существенно повысить скорость и помехоустойчивость передачи данных и снизить тепловыделение за счет перехода от полностью электрической передачи и обработки сигналов к оптоэлектронным системам, в которых связь между отдельными элементами транзисторной логики осуществляется с помощью оптических сигналов. Применение лазерных источников излучения, в отличие от светодиодных, позволит реализовать быструю прямую модуляцию оптического сигнала, а малая спектральная ширина линий излучения даст возможность осуществить одновременную передачу данных на разных длинах волн по одному каналу, тем самым кратно увеличивая совокупную скорость передачи информации. Простота конструкции и методов изготовления предлагаемых в настоящем проекте оптоэлектронных компонент, не требующих синтеза толстых эпитаксиальных слоев (например, распределенных Брэгговских отражателей) и суб-микронной литографии, предполагает возможность внедрения предложенного решения, в случае его последующей успешной апробации, в производство. Возможное внедрение систем оптической связи на кристалле в компьютеры, в том числе персональные, будет иметь колоссальный социально-экономический эффект, поскольку в перспективе сможет существенно повысить их производительность. Хотя пассивные элементы, необходимые для реализации интегральных систем кремниевой фотоники, к настоящему времени уже продемонстрированы, активные оптоэлектронные компоненты, монолитно интегрированные с кремнием, были продемонстрированы лишь в единичных публикациях, включая заявителей настоящего проекта. Методы синтеза, используемые для изготовления эпитаксиальных гетероструктур А3В5, все еще нуждаются в оптимизации. Пока не найдена конструкция микрорезонатора, оптимальная с точки зрения простоты изготовления и достижимых характеристик. В частности, не установлено, имеет ли перспективы метод формирования микрорезонатора непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания полупроводникового нитевидного кристалла, либо традиционные методы изготовления с помощью травления планарных структур являются более приемлемыми. Архитектура микро-приемо-передатчика на кремнии в интегральном исполнении в настоящее время только разрабатывается. Таким образом, предлагаемое исследование соответствует или превосходит современный мировой уровень в предметной области проекта (более детально современное состояние исследований и имеющийся у заявителей задел раскрыты в соответствующих разделах заявки).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Cформирован научный коллектив в составе 27 человек, в том числе 21 исследователь (77.8%) в возрасте до 39 лет включительно. Заключен договор на выполнение НИР с партнером (АО «НИИМЭ»). В 2019 году научная группа опубликовала 8 работ в журналах, входящих в базу Web of Science, включая 1 публикацию в журнале первого квартиля (Optics Letters), еще одна работа принята к печати в журнал 1-го квартиля (Crystal Growth & Design). Было представлено 11 докладов на 8 научных конференциях, в том числе 1 пленарный и 6 приглашенных. Организована школа молодых ученых по тематике проекта (международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам “Saint-Petersburg OPEN 2019”, 22-25.04.2019) с участием 5 российских и 5 зарубежных лекторов. На стендовых сессиях представлены 282 молодежные работы. Всего в школе приняли участие представители 11 стран (Россия, Беларусь, Дания, Египет, Франция, Германия, Иран, Израиль, Латвия, Сингапур, Великобритания), в том числе из 49 городов России. Проведены экспериментальные и теоретические исследования пороговых, высокочастотных и иных свойств микролазеров с квантовыми точками, синтезированных на подложках GaAs и Si, проведена оптимизация их конструкции и развиты методы формирования, проведены эксперименты по оптической передаче данных с помощью микролазеров, развиты методы микросферной литографии для текстурирования подложек для последующей селективной эпитаксии А3В5 наногетероструктур, исследованы процессы роста нитевидных нанокристаллов А3В5 с использованием различных катализаторов и условий роста, определены процессы, влияющие на легирование ННК, продемонстрирована принципиальная возможность синтеза InGaN «наноцветов» на кремнии. Получены следующие наиболее существенные результаты: - Созданы инжекционные микродисковые лазеры различного диаметра (10-30 мкм) с разным типом активной области (квантовые точки InAs/InGaAs, плотные массивы квантовых точек InGaAs, формируемые не по механизму Странского-Крастанова, квантовые ямы InGaAsN и InGaAs) на подложках GaAs и Si и исследованы их пороговые характеристики. Показано, что зависимость порогового тока от диаметра микролазера включает два члена, из которых один пропорционален квадрату диаметра, а второй – первой степени диаметра, описывающих вклады рекомбинации носителей заряда, соответственно, в объеме активной области и на боковых стенках микрорезонатора. При этом в микролазерах с квантовыми ямами доминирующим является вклад безызлучательной поверхностной рекомбинации, в микролазерах с КТ InGaAs вклад рекомбинации на боковых стенках преобладает в приборах наименьшего размера, а в микролазерах с квантовыми точками InAs/InGaAs этот канал рекомбинации практически полностью подавлен. Такое поведение объяснено глубокой локализацией носителей заряда в таких КТ, подавляющей транспорт к боковым стенкам микрорезонатора. - Сделан вывод, что пороговая плотность тока в микролазерах с квантовыми точками Странского-Крастанова определяется в основном величиной оптических потерь и саморазогревом. Предложена оптимизированная конструкция эпитаксиальной структуры, и улучшен метод формирования микрорезонаторов с помощью сухого травления, что позволило достичь низких значений теплового сопротивления и снизить оптическое рассеяние света на боковых стенках. Оптические потери оценены равными около 2 см-1, а добротность микрорезонатора увеличена до 90 000-100 000. В результате достигнута рекордно-низкая пороговая плотность тока в микродисковых лазерах, сформированных как на GaAs, так и на Si (соответственно 250 и 350 А/см2 в непрерывном режиме при комнатной температуре без термостабилизации и охлаждения). - Исследована воспроизводимость электрических характеристик микродисковых лазеров на кремнии. Продемонстрированы низкие значения среднеквадратичного отклонения напряжение открывания диода и последовательного электрического сопротивления (1 и 10%, соответственно, относительно средних значений) для неохлаждаемых микролазеров диаметром 31 мкм. - Обнаружено, что тепловое сопротивление микролазеров на подложках Si близко к соответствующей величине микролазеров на GaAs такого же диаметра. Тепловое сопротивление масштабируется обратно пропорционально квадрату диаметра. Это указывает, что отвод тепла из активной области микролазера преимущественно осуществляется через его основание, а боковой уход тепла не играет существенной роли. Удельное тепловое сопротивление для микролазеров на основе гетероструктур, синтезированных как на Si, так и на GaAs подложках оценено около 5×10-3 см2×К/Вт, что более чем в 2 раза ниже, чем соответствующее значение, характеризующее микролазеры на основе гетероструктур на подложках InP. - Исследовано явление конкуренции мод и возможность достижения одномодового режима лазерной генерации. Показано, что вдали от порога лазерной генерации генерация боковых мод подавляется, что ведет к росту коэффициента подавления боковых мод. Наибольшее измеренное значение составило 32.9 дБ, что, насколько нам известно, является наибольшим для микродисковых лазеров без специальных систем спектральной селекции. Предполагается, что существенную роль для достижения одночастотного спектра излучения играют достигнутые низкие оптические потери, что позволяет реализовать лазерную генерацию на длинноволновом склоне плотности состояний, на значительном спектральном удалении (более 40 нм) от ее максимума. - Впервые выполнены исследования долговременной (1200 часов в непрерывном режиме при 20, 40 и 60ºC) деградации микродисковых лазеров с квантовыми точками. В ходе испытаний не обнаружено изменения напряжения на диоде, гашения лазерной генерации или значительного изменения уровня излучаемой мощности. Средний темп изменения мощности (25 нВт/час) позволил оценить срок жизни микролазера (по уровню падения мощности на 20%) не менее 2500 часов. - Впервые выполнены экспериментальные исследования электрической мощности, потребляемой микролазером при высокочастотной модуляции, в зависимости от тока смещения и размера микролазера. Показано, что существует оптимальный ток смещения, позволяющий достичь наименьшего достижимого для данного микролазера значения энергопотребления на один бит информации, что обусловлено взаимодействием двух физических явлений – снижением частоты модуляции при приближении тока к пороговому значению и увеличением электрической мощности при больших токах. Без термостабилизации достигнуто низкое энергопотребление 1.46 пДж на один бит переданной информации, что, насколько нам известно, является наименьшим на сегодня значением для микролазеров как с квантовыми точками In(Ga)As, так и с квантовыми ямами на InP. - Исследованы электрические потери и быстродействие микродискового лазера в режиме прямой модуляции с температурно-стабилизированным теплоотводом. Достигнуто существенное (примерно в полтора-два раза) уменьшение потребления энергии в расчете на один бит по сравнению с неохлаждаемыми микролазерами аналогичной конструкции. Например, при термостабилизации микролазера диаметром 23 мкм при 18оС энергопотребление снижается с 2.88 до 1.58 пДж/бит. - Развита феноменологическая модель, позволяющая в аналитическом виде описать зависимость энергии, потребляемой микролазером при передаче информации, от его диаметра. Модель обобщает зависимости от размера микролазера его высокочастотных, электрических и пороговых характеристик и предсказывает достижимость затрат энергии на уровне 100 фДж/бит в микролазерах диаметром около 4 мкм при условии подавления безызлучательной рекомбинации на боковых стенках микрорезонатора. - Выполнены эксперименты по оптической передаче данных с помощью инжекционного микродискового лазера с квантовыми точками, и впервые для таких лазеров продемонстрирована безошибочная (вероятность ошибки распознавания бита менее 10^-12) передача со скоростью 10 Гб/сек, что на порядок превосходит ранее сообщенное наибольшее значение скорости. При этом исследованные микролазеры работали без внешнего охлаждения. - Развита методика структурирования тестовых подложек большой площади (более 3-х дюймов в диаметре) для последующего процесса селективной эпитаксии наногетероструктур А3В5. Показано, что метод микросферной литографии обеспечивает в слое оптического фоторезиста формирование упорядоченных массивов структур с характерными размерами порядка 200 нм. Последующее плазмо-химическое травление переносит сформированный рисунок в резисте в слой оксида кремния, выступающего в качестве материала маски для селективной эпитаксии. - Экспериментально исследованы процессы Au-каталитического и самокаталитического эпитаксиального роста нитевидных нанокристаллов (ННК) с использованием метода молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках кремния и выявлены основные тенденции при росте ННК на примере GaAs. Показано, что в случае самокаталитического роста преимущественной фазой является кубическая, а при Au-каталитическом росте – гексагональная. Установлено, что при преднамеренном легировании бериллием возможно получение уровней легирования р-типа в интервале (10^16 - 5×10^19 см-3) для GaAs ННК и 3×10^16 - 8×10^18 см-3 для ННК в системе InP. В случае Si в качестве легирующей примеси для InP ННК было установлено, что возможно получение легирования n- типа в достаточно широком интервале (5×10^16 - 4×10^18 см-3), однако при росте GaAs встраивание атомов Si происходит в основном в анионную подрешетку, что приводит к р-типу легирования. - Продемонстрирована принципиальная возможность синтеза наноструктур разветвленной морфологии «наноцветов» InGaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии на поверхности подложки кремния. Продемонстрирована фотолюминесценция в широком диапазоне длин волн от 450 до 950 нм при комнатной температуре.

 

Публикации

1. Жуков А.Е., Максимов М.В., Крыжановская Н.В. Microlasers based on GaAs and Si Journal of Physics: Conference Series, V. 1410, P. 012001 (год публикации - 2019).

2. Жуков А.Е., Моисеев Э.И., Крыжановская Н.В., Зубов Ф.И., Можаров А.М., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А., Кулагина М.М., Блохин С.А., Максимов М.В. Потребление энергии для высокочастотного переключения микродискового лазера с квантовыми точками Письма в журнал технической физики, том 45, вып. 16, стр. 49-51 (год публикации - 2019).

3. Зубов Ф.И., Максимов М.В., Крыжановская Н.В., Моисеев Э.И., Муретова М.Е., Можаров А.М., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А., Кулагина М.М., Леденцов Н.Н. мл., Чорчос Л., Леденцов Н.Н., Жуков А.Е. High speed data transmission using directly modulated microdisk lasers based on InGaAs/GaAs quantum well-dots Optics Letters, том 44, вып. 22, стр. 5442-5445 (год публикации - 2019).

4. Крыжановская Н.В., Моисеев Э.И., Зубов Ф.И., Можаров А.М., Максимов М.В., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А., Гусева Ю.А., Кулагина М.М., Блохин С.А., Бердников Ю., Жуков А.Е. Evaluation of energy-to-data ratio of quantum-dot microdisk lasers under direct modulation Journal of Applied Physics, том 126 вып 6 стр. 063107-1-6 (год публикации - 2019).

5. Масленников С.Ю., Евстропьев С.К., Гридчин В.О., Сошников И.П. Photoactive ZnO-Al2O3 transparent coatings and nanocomposites prepared by a simple polymer-salt synthesis Semiconductors, v. 53, N. 16, P. 38–40 (год публикации - 2019).

6. Моисеев Э.И., Крыжановская Н.В., Зубов Ф.И., Михайловский М.С., Абрамов А.Н., Максимов М.В., Кулагина М.М., Гусева Ю.А., Лившиц Д.А., Жуков А.Е. Record low threshold current density in quantum dot microdisk laser Semiconductors, Vol. 53, N 14, PP. 1888–1890 (год публикации - 2019).

7. Резник Р.Р., Котляр К.П., Крыжановская Н.В., Морозов С.В., Цырлин Г.Э. Синтез методом молекулярно-пучковой эпитаксии и свойства наноструктур InGaN разветвленной морфологии на кремниевой подложке Письма в журнал технической физики, том 45, вып. 21, стр.48-50 (год публикации - 2019).

8. Резник Р.Р., Котляр К.П., Хребтов А.И., Крыжановская Н.В., Цырлин Г.Э. InGaN nanostructures of a branched morphology on silicon substrate: MBE synthesis and properties Journal of Physics: Conference Series, V. 1410, P. 012052 (год публикации - 2019).

9. Сапунов Г.А., Федоров В.В., Коваль О.Ю., Шаров В.А., Дорецкая Л.Н., Мухин И.С., Большаков А.Д. Synthesis and optical characterization of GaAs epitaxial nanoparticles on silicon Crystal Growth & Design, - (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Сформирован научный коллектив в составе 27 человек, в том числе 21 исследователь (77.8%) в возрасте до 39 лет включительно. В течение 12 месяцев с даты подписания соглашения в коллектив привлечены три (один в 2019 и два в 2020 г) молодых кандидата наук в возрасте до 35 лет, ранее не работавших в организации. Заключены договора на выполнение НИР с партнерами, получено в 2020 году софинансирование на общую сумму 4 млн. руб. Опубликовано в 2020 году 10 новых работ в журналах, входящих в базу Web of Science, включая 4 публикации в журнале первого квартиля (Nanotechnology, Las. Photon. Rev., IEEE J. Quantum Electron., ACS nano), представлено 7 докладов на научных конференциях, в том числе 2 пленарных. Организована школа молодых ученых по тематике проекта (международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам “Saint-Petersburg OPEN 2020”, 27-30.04.2020) с участием 28 зарубежных и 12 российских ученых в качестве лекторов и 238 российский молодых ученых (до 35 лет включительно), аспирантов и студентов очной формы обучения. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования в области микрорезонаторов и микролазеров с квантовыми точками на основе эпитаксиальных структур, синтезированных на подложках GaAs и Si, а также гибридно интегрированных с кремнием, нитевидных нанокристаллов А3В5 и их массивов на Si и на гибридных подложках SiC/Si, пассивации и текстурирования поверхности. Получены следующие наиболее существенные результаты: Развита методика планаризации микролазеров диэлектрическим покрытием с последующим формированием контактных площадок поверх диэлектрика, что позволило воспроизводимо формировать микродисковые лазеры малого размера (диаметром по крайней мере до 10 мкм). Исследованы микролазеры различного диаметра, созданные с использованием усовершенствованной конструкции, обеспечивающей низкие внутренние потери. В монолитно интегрированных с кремнием микролазерах достигнута рекордно-низкая для приборов сопоставимого размера (15 мкм) пороговая плотность тока 0.68 кА/см2. Впервые исследована стабильность длины волны лазерной генерации микролазеров с квантовыми точками на кремнии по отношению к изменению тока инжекции, продемонстрирована высокая стабильность (менее 1 нм/(кА/см2)), в том числе в микродисках малого диаметра. Выполнены исследования абсолютного уровня выходной мощности микродисковых лазеров на кремнии и продемонстрирована удовлетворительная воспроизводимость их характеристик (среднеквадратичное отклонение мощности 21% от среднего значения односторонней мощности 43 мкВт среди около 100 приборов). Впервые выполнены исследования деградации микродисковых лазеров на кремнии. Показано, что изменение мощности при стабилизированном токе инжекции удовлетворительно описывается сублинейной временной зависимостью, а наиболее значительное изменение ватт-амперной характеристики происходит в первые несколько сотен часов работы в непрерывном режиме. Впервые оценен срок службы микролазера на кремнии, получено значение более 80 тыс. часов. Экспериментально показано, что существует предельная температура лазерной генерации микродискового лазера в непрерывном режиме. Уменьшение размера микролазера ведет к снижению предельной температуры (до ~40оС для 10-мкм микродисков). Показано, что существует наименьший диаметр микролазера, вплоть до которого при фиксированной температуре окружающей среды возможна реализация генерации в непрерывном режиме. Исследованы ватт-амперные характеристики микродисковых лазеров в непрерывном режиме; при токах, заметно превышающих порог генерации обнаружен спад мощности вплоть до полного гашения генерации, сопровождающийся значительным саморазогревом микролазера. Развита модель, которая позволяет в аналитическом виде определить пороговый ток микродискового лазера с учетом саморазогрева в зависимости от температуры окружающей среды и диаметра микролазера. Показано, что существование предельной рабочей температуры обусловлено саморазогревом микролазера. Показано хорошее совпадение результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными. Модель позволяет определить пути оптимизации конструкции микролазеров для улучшения температурных характеристик и снижения их размеров. Полученные результаты опровергают ранее принятое мнение о слабом влиянии поверхностной рекомбинации на характеристики микролазеров с квантовыми точками. Экспериментально исследовано быстродействие микродисковых лазеров с квантовыми точками, работающих при комнатной температуре без термостабилизации. Обнаружено, что максимальная частота прямой модуляции, достигаемая при некотором оптимальном токе смещения, слабо зависит от диаметра для микродисков больших размеров и снижается в области малых микродисков (до 4 ГГц при 10 мкм). Энергозатраты на передачу одного бита при оптимальном токе смещения не превышают 2 пДж и, как показывает моделирование, могут быть снижены по крайней мере в два раза при преодолении сильного саморазогрева. Выполнены модельные расчеты наибольшей полосы модуляции микродисков различного диаметра и показано, что предельное быстродействие микродисковых лазеров относительно малого размера определяется в основном явлениями, вызванными перегревом активной области, тогда как для микродисков большего размера максимальная полоса модуляции ограничивается демпфированием релаксационных колебаний и паразитной частотой отсечки (RC). Граница, разделяющая две различные модели поведения при реализованных на практике значениях внутренних параметров микролазеров, соответствует диаметру около 20 мкм. Выше этого размера микродиска предельная частота модуляции практически не зависит от диаметра микродиска, а ниже – заметно уменьшается. Предложен и реализован новый метод гибридной интеграции массивов микродисковых лазеров с квантовыми точками на поверхность кремниевой пластины с помощью эвтектики Au-In. Метод позволяет осуществить лазерную генерацию при инжекционной накачке с индивидуальной адресацией к произвольному микролазеру из массива. Впервые продемонстрирована лазерная генерация при инжекционной накачке в непрерывном режиме перенесенного на кремний микродискового лазера с квантовыми точками из массива. Не выявлено влияния переноса микродисков на кремний на электрические, пороговые, тепловые и спектральные характеристики. Результаты подтверждают устойчивость микролазеров на основе квантовых точек к переносу на чужеродную подложку. Установлено, что использование метода формирования ННК по механизму «пар – твердое тело – твердое тело» приводит к созданию ННК сверхмалого диаметра (вплоть до менее 10 нм), что позволяет реализовывать квантовые структуры на основе ННК и более полно использовать «одномерность» таких нанообъектов. Исследованы процессы формирования гетероструктукрных ННК, содержащих GaAs КТ в теле AlGaAs ННК. Типичная длина волны излучения таких КТ составляет 750 – 800 нм, поэтому ставилась задача по формированию AlGaAs ННК, выращенных на поверхности Si(111), с диаметром ~ 200 нм. В результате было показано, что при составе твердого раствора AlGaAs по Al = 0.4 в теле ННК возможно формирование качественных с кристаллографической точки зрения ННК, диаметр у основания которых составляет 180 – 200 нм. Установлено, что для контролируемого изменения плотности ННК на поверхности Si(111) необходимо прецизионно наносить катализатор на первом этапе формирования ННК. При использовании золота возможно варьировать плотность ННК в диапазоне (0.05 – 10) ННК/мкм2 при напылении золота со средней толщиной 0.05 – 1 нм. Исследование влияния соотношения потоков элементов V и III групп для различных катализаторов показало, что наиболее чувствительным к этому параметру является метод самокаталитического роста. Для самокаталитического роста становится возможным увеличивать скорость роста ННК при повышенных потоках элементов V группы. Исследована фотодинамика распада возбужденных состояний гибридной полупроводниковой наноструктуры, представляющей собой массив нитевидных нанокристаллов InP с нановставкой InAsP, пассивированных квазиленгмюровским слоем ТОРО (триоктилфосфиноксид), содержащим коллоидные квантовые точки CdSe/ZnS. Получены спектрокинетические зависимости люминесценции наноразмерных включений InAsP в ближней инфракрасной области при температурах 80 и 293 K. Наличие слоя ТОРО-CdSe/ZnS квантовых точек на поверхности нитевидных нанокристаллов InP/InAsP/InP ведет к увеличению длительности излучательной рекомбинации и появлению ее зависимости от температуры. Показано, что наличие слоя ТОРО, содержащим коллоидные квантовые точки CdSe/ZnS, приводит к резонансной накачке вставки InAsP КТ, выраженной в 10-ти кратном увеличении сигнала от InAsP КТ. Таким образом, данная гибридная система может быть использован в качестве резонаторов на основе одиночных ННК и их массивов. Наблюдаемый эффект объясняется теоретически в рамках модели контактного тушения. Рассмотрены процессы формирования GaN ННК на поверхности гибридных подложке SiС/Si. Из спектров ФЛ выращенных образцов было установлено, что происходит спонтанное легирования кремнием GaN ННК, выращенных на подложке SiC/Si(111). Концентрация свободных электронов в GaN ННК, оцененная по сдвигу Бурштейна-Мосса, составила ~ 7*10^19 см-3. Для объяснения наблюдаемого эффекта предложена теоретическая модель, основанная на описании диффузии атомов Si в GaN ННК с учетом механохимического эффекта, описывающая на количественном уровне наблюдаемые зависимости. Развиты методы пассивации микрорезонаторов и исследовано ее влияние на эффективность излучательной рекомбинации в подобных микролазерах с квантовыми точками и квантовыми ямами. Для обоих типов резонаторов пассивация обеспечивает существенное подавление темпа безызлучательной рекомбинации, наиболее существенное влияние пассивация оказывает на микроструктуры с квантовыми ямами. Развита технология текстурирования оксидных слоев на поверхности кремния методом микросферной литографии для последующей селективной эпитаксии упорядоченных массивов ННК на подложках большого диаметра (75 мм), получены экспериментальные образцы подложек с упорядоченными в гексагональную упаковку массивами субмикронных отверстий в маске. Исследованы методы формирования оптических резонаторов на основе одиночных ННК и их массивов, волноводные и резонансные оптических свойства одиночных ННК на различных подложках. Показано, что такие резонаторы поддерживают оптические моды Фабри-Перо. Файл с дополнительными материалами, приложенный к настоящему отчету, содержит графики, рисунки и более подробные пояснения выполненных исследований и полученных результатов.

 

Публикации

1. - Квантовое многоточие Поиск, Аркадий Соснов, интервью с А.Е. Жуковым «Квантовое многоточие», Поиск №28-29 (17 июля 2020) (год публикации - ).

2. G. Saerens, I. Tang, М.И. Петров, К. Фризюк, C. Renaut, F. Timpu, M. R. Escalé, И. Штром, А. Буравлев, Г. Цырлин, R. Grange, M. Timofeeva Engineering of the Second-Harmonic Emission Directionality with III–V Semiconductor Rod Nanoantennas Laser and Photonics Review, 2020, 2000028 (год публикации - 2020).

3. А. Е. Жуков, Э. И. Моисеев, А. М. Надточий, Н. В. Крыжановская, М. М. Кулагина, С. А. Минтаиров, Н. А. Калюжный, Ф. И. Зубов, М. В. Максимов Влияние саморазогрева на модуляционные характеристики микродискового лазера Письма в журнал технической физики, Т. 46, N. 11, C. 3-7 (год публикации - 2020).

4. А.Е. Жуков, Н.В. Крыжановская, Э.И. Моисеев, А.М. Надточий, А.С. Драгунова, М.В. Максимов, Ф.И. Зубов, С.А. Кадинская, Ю. Бердников, М.М. Кулагина, С.А. Минтаиров, Н.А. Калюжный Self-heating and Elevated Temperature on Performance of Quantum Dot Microdisk Lasers IEEE Journal of Quantum Electronics, V.56 N. 5 P. 2000908_1-8 (год публикации - 2020).

5. А.Е. Жуков, Н.В. Крыжановская, Э.И. Моисеев, А.С. Драгунова, M. Tang, S. Chen, H. Liu, М.М. Кулагина, С.А. Кадинская, Ф.И. Зубов, А.М. Можаров, М.В. Максимов InAs/GaAs quantum dot microlasers formed on silicon using monolithic and hybrid integration methods Materials, V. 13, N. 10, P. 2315_1-14 (год публикации - 2020).

6. А.Е. Жуков, Э.И. Моисеев, А.М. Надточий, А.C. Драгунова, Н.В. Крыжановская, М.М. Кулагина, А.М. Можаров, С.А. Кадинская, О.И. Симчук, Ф.И. Зубов, М.В. Максимов Лазерная генерация перенесенных на кремний инжекционных микродисков с квантовыми точками InAs/InGaAs/GaAs Письма в журнал технической физики, Т. 46, N 16, C. 3-6 (год публикации - 2020).

7. А.И. Хребтов, А.С. Кулагина, В.В. Данилов, Е.С. Громова, И.Д. Скурлов, А.П. Литвин, Р.Р. Резник, И.В. Штром, Г.Э. Цырлин Фотодинамика люминесценции гибридных наноструктурInP/InAsP/InP ННК, пассивированных слоем ТОРО-CdSe/ZnS КТ Физика и техника полупроводников, Т. 54, вып. 9, с. 952-957 (год публикации - 2020).

8. А.С.Кулагина, А.И.Хребтов, Р.Р.Резник, Е.В.Убыйвовк, А.П.Литвин, И.Д.Скурлов, Г.Э.Цырлин, Е.Н.Бодунов, В.В.Данилов Роль модельных представлений в описании кинетики люминесценции гибридных нитевидных нанокристаллов Оптика и спектроскопия, Т. 128, вып. 1, с.122-127 (год публикации - 2020).

9. В.Г. Талалаев, J.W.Tomm, С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, И.В. Штром, К.П. Котляр, F.Mahler, J.Schilling, Р.Р. Резник, Г.Э. Цырлин Ascending Si diffusion into growing GaN nanowires from the SiC/Si substrate: up to the solubility limit and beyond Nanotechnology, V. 31, P. 294003 (год публикации - 2020).

10. Жуков А.Е., Крыжановская Н.В., Моисеев Э.И., Кулагина М.М., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Надточий А.М., Максимов М.В., Предельная температура генерации микродисковых лазеров Физика и техника полупроводников, Т. 54, N. 6, C. 570-574 (год публикации - 2020).

11. Трофимов П., Пушкарев А.П., Синев И.С., Федоров В.В., Bruyère S., Большаков А., Мухин И.С., Макаров С.В. Perovskite–Gallium Phosphide Platform for Reconfigurable Visible-Light Nanophotonic Chip ACS nano, V. 14, N. 7, P. 8126-8134 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Сформирован научный коллектив в составе 27 ученых, в том числе 21 исследователя в возрасте до 39 лет включительно. Три молодых кандидата наук, ранее не работавших в организации, привлеченных в коллектив и трудоустроенных в университете в 2020-2021 гг, продолжили участвовать в выполнении проекта. Заключены договора на выполнение НИР с партнерами, получено в 2021 году софинансирование на общую сумму 6 млн. руб. прямых расходов. Опубликовано 14 статей в журналах Web of Science/Scopus, в том числе 8 в журналах 1-го квартиля (Light Sci. & Appl., Appl. Surf. Sci., ACS Appl. Nano Mater., Nanotechnology, Opt. Lett.), представлено 7 докладов на научных конференциях, в том числе 2 приглашенных доклада. Организована школа молодых ученых (международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам “Saint-Petersburg OPEN 2021”, 25-28.05.2021) с участием более 300 человек, включая 35 зарубежных и 21 российских ведущих ученых в качестве лекторов и 260 слушателей - российский молодых ученых (до 35 лет включительно), аспирантов и студентов очной формы обучения. Выполнены научные исследования, направленные на развитие методов создания микродисковых и микрокольцевых лазеров на основе квантовых точек (КТ) и их интеграцию с кремнием, экспериментальное изучение их свойств, разработку теоретических моделей для описания их характеристик, исследование роста нитевидных нанокристаллов (ННК) на процессированных литографическими методами подложках кремния, создание наногетероструктур (квантовые ямы и квантовые точки) в ННК, оптимизацию процесса селективной эпитаксии и исследования морфологии и структуры синтезированных образцов подложек с ростовой маской. Для оптимизации условий роста наногетероструктур использованы методы компьютерного моделирования и теория нуклеации в многокомпонентных системах. Получены следующие наиболее существенные результаты: Созданы инжекционные микрокольцевые лазеры диаметром 20-40 мкм на основе квантовых точек и выполнено исследование порогового тока в широком диапазоне температур (77-370 К) с помощью спектральных исследований доминантной линии излучения и измерения ватт-амперной характеристики полной мощности. Ниже 120 К обнаружен участок отрицательной характеристической температуры, вблизи 300 К величина Т0 составила 90 К, а начина с 383 К рост порогового тока становится сверхэкспоненциальным. Такое поведение порогового тока объяснено конкуренцией процессов перехода к равновесному заполнению КТ носителями, выброса носителей из активной области и безызлучательной рекомбинации. С использованием новой конструкции СВЧ-платы, используемой для монтажа микролазеров и снижающей влияние электрических паразитов, исследовано быстродействие микрокольцевых КТ-лазеров при прямой высокочастной модуляции. Обнаружено насыщение частоты релаксационных колебаний и ширины полосы модуляции при больших токах (~40 мА) вследствие роста температуры активной области (саморазогрева). Обнаружено, что быстродействие микрокольцевых лазеров сопоставимо с аналогичными микродисковыми лазерами: наибольшие значения (6-6.8 ГГц) ширины полосы модуляции достигаются в приборах с диаметром 20-30 мкм. Исследовано энергопотребление КТ-микролазеров, обладающих улучшенным за счет планаризации тепловым сопротивлением (~4х10−3 (К/Вт)см2 против ~5х10−3 (К/Вт)см2). В неохлаждаемом микродиске диаметром 20 мкм достигнуто энергопотребление (EDR) 1.6 пДж/бит, что является наименьшим значением для микродисковых/микрокольцевых лазеров, работающих без принудительного охлаждения и сравнимо со значениями, ранее продемонстрированными нами для температурно-стабилизированных микродисковых КТ-лазеров. Модернизирован метод гибридной интеграции массивов микродисковых лазеров с кремнием за счет внедрения термокомпрессионного соединения золото-золото. Определены оптимальные режимы термокомпрессии и продемонстрирована высокая стойкость по отношению к нагреву (не ниже 450 град. С) и отрыву (не менее 55 кг/см2). Экспериментально исследовано тепловое сопротивление гибридно интегрированных с кремнием микродисковых лазеров, достигнуто снижение теплового сопротивления до значений менее 2х10^−3 (К/Вт)см2, т.е. примерно в два раза по сравнению с микролазерами до их интеграции с кремнием. Выполнено моделирование отвода тепла от активной области микролазера, учитывающее процессы одномерного протекания теплового потока собственно в микродиске и трехмерного растекания тепла в подложке, получены аналитические выражения для теплового сопротивления и выполнен расчет для микродисков различного диаметра. Показано, что улучшение теплового сопротивления в гибридно-интегрированных с кремнием микродисках обусловлено более высокой теплопроводностью подложки, а также уменьшением толщины полупроводниковых слоев, лежащих между активной областью и подложкой. Впервые детально исследованы характеристики гибридно-интегрированных с кремнием микродисковых лазеров. За счет улучшения их теплового сопротивления продемонстрировано более чем двукратное увеличение максимальной мощности излучения в непрерывном режиме генерации по сравнению с их аналогами на GaAs подложке, увеличение предельного тока инжекции (>20 кА/см2), соответствующего полному гашению генерации вследствие саморазогрева, а также увеличение предельного быстродействия в режиме прямой модуляции. Достигнуто рекордное для микродисковых/микрокольцевых лазеров на основе материалов InGaAs/(Al)GaAs значение частоты модуляции (по уровню -3дБ), равная 7.9 ГГц. Созданы протяженные кремниевые волноводы петлевидной формы с высокой степенью вертикальности боковых стенок (не хуже 2 градусов) и высотой (~3 мкм), соответствующей высоте расположения микродискового излучателя, предназначенные для оптического соединения гибридно-интегрированных микролазеров с другими функциональными элементами. Выполнено моделирование характеристик оптического усиления в квантовых точках. Показано, что мощность насыщения усиления линейно растет с током накачки (примерно до 10 кА/см2), а затем перестает меняться вследствие конечной скорости поступления носителей заряда на основной уровень. Проанализированы предельные значения оптической мощности, достижимой с помощью тандема оптический усилитель-лазерный диод, изготавливаемых из одной и той же эпитаксиальной гетероструктуры. Показано, что существует оптимальное значение коэффициента распределения тока между лазерной и усилительной секциями, при котором для заданного полного тока накачки достигается наибольшее значение выходной мощности. Развита модель электрического сопротивления микродисковых лазеров с учетом растекания тока в подложке и эффекта скопления тока вблизи краев контактов, проанализировано влияние геометрии контактов. Обнаружено, что для микролазеров на проводящей подложке с диаметром мезы 10-40 мкм более выгодным является расположение n-контакта сверху, а для больших диаметров – традиционная геометрия контакта снизу подложки. Для дисков предельно малого размера сопротивление фактически не зависит от геометрии контакта, в том числе и при малой толщине проводящего слоя, и определяется сопротивлением слоев мезы. С использованием численного моделирования и натурного эксперимента оптимизирован метод создания масок для селективной эпитаксии упорядоченных массивов ННК. Предложены два подхода для структурирования эпитаксиальных подложек с применением позитивного и негативного фоторезистов. Показано, что для травления отверстий в масках SiOx необходимо на последнем этапе использовать жидкостной метод удаления оксида для предотвращения разрушения верхнего слоя Si подложки. Показано, что наилучшее пространственное разрешение литографии достигается при использовании сфер диаметром около 1,5 мкм. Используемый метод нанесение микросфер путем центрифугированиея обеспечивает покрытие подложек большой площади (3 дюйма в диаметре). Продемонстрирована возможность селективного роста массивов GaN ННК с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии на гибридных подложках SiOx/Si, предварительно спроцессированных фоторезистивным литографическим методом через микросферические линзы. Исследовано влияние температуры подложки на морфологические характеристики полученных образцов. Показано, что полученные селективные ННК обладают высоким кристаллографическим качеством. Исследован рост InGaN ННК на подложках Si(111) с помощью плазменной молекулярно-пучковой эпитаксии. Обнаружено, что при типичных условиях роста изменение температуры подложки всего на 10 °C приводит к значительному изменению структурных и оптических свойств ННК. Исследование фотолюминесценции ННК демонстрирует сдвиг спектров от синего к оранжевому в соответствии с увеличением содержания индия. На основе этих результатов предложен новый подход к монолитному росту InGaN ННК на подложках Si с «многоцветным» излучением света путем создания градиента температуры поверхности подложки при росте ННК. Продемонстрирована возможность роста InGaN ННК с высоким содержанием In на подложках SiC/Si(111) и проведен сравнительный анализ с аналогичными структурами на подложке Si(111). Показано, что интегральная интенсивность ФЛ от ННК на SiC/Si в 5 раз выше, чем от ННК на Si, что указывает на их более высокое оптическое совершенство. Согласно оценкам химического состава для тройных растворов содержание In в «ядре» ННК на подложке Si составляет 44 %, в то время как в ННК на гибридной подложке SiC/Si ~ 33 %. Исследованы факторы, влияющие на формирование различных гетероструктур в ННК А3В5. Установлено, что для гетероэпитакисиальной системы InP/InAsP характерно одновременное формирование различных типов наноструктур на интерфейсе InP/InAsP/InP: помимо формирования аксиальной КТ, образуется также квантовая яма (КЯ) InAsP вокруг тела ННК вследствие латерального роста. В случае системы AlGaAs/GaAs/AlGaAs КЯ не образуется, а КТ GaAs формируется в теле ННК с резкими гетрограницами на обоих гетероинтерфейсах. С помощью метода микросферной литографии при подготовке ростовой подложки синтезированы упорядоченные массивы GaP ННК. Показано, что удалось добиться селективности роста, когда зарождение ННК наблюдается только в сформированных отверстиях маски. Синтезированные массивы GaP ННК исследовались методом картографирования пространственного распределения спектров комбинационного рассеяния света (КРС). Характерной особенностью спектров КРС от ННК помимо “стандартных” для GaP продольного LO и поперечного оптического фононов TO является наблюдение поверхностного оптического фонона (SO), энергия которого лежит между LO и TO пиками. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии выращены массивы GaP ННК со вставками GaPAs в виде дисков. Для выявления влияния соотношения потоков на химический состав формируемых дисков, соотношение потоков V/III последовательно изменялось во время роста при переходе от одного диска к другому в диапазоне 6/8/10/12/14/16/18/20. Увеличение отношения V/III в диапазоне 6-16 приводит к увеличению длин соответствующих сегментов ННК, то есть возрастанию аксиальной скорости роста, варьирующейся от 9 до 40 нм/мин. При этом объем ННК монотонно возрастает в диапазоне от 6 до 12, образование ННК при данных условиях ограничено потоком V-группы. Для отношений V/III больше 12 объем сегмента ННК уже начинает уменьшаться, а длина сегмента (то есть аксиальная скорость роста) еще немного продолжает увеличиваться и затем насыщается. Последний эффект связан с переключением на режим роста, ограниченный потоком III-группы (Ga), а снижение объема сегментов ННК вызвано дефицитом Ga, поглощением каталитической капли и соответствующим уменьшением радиуса ННК. Таким образом, в рамках проекта получены новые научные знания о физических процессах и фундаментальных ограничениях, определяющих характеристики лазерных микрорезонаторов и наноструктур различной размерности на кремнии и других типах подложек. Полученные результаты способствует реализации оптической связи на малых и сверхмалых расстояниях и их интеграции с устройствами кремниевой электроники.

 

Публикации

1. Гридчин В.О. , Резник Р.Р. , Котляр К.П. , Драгунова А.С. , Крыжановская Н.В. , Серов А.Ю. , Кукушкин С.А. , Цырлин Г.Э. Молекулярно-пучковая эпитаксия нитевидных нанокристаллов InGaN на подложках SiC/Si(111) и Si(111): сравнительный анализ Письма в журнал технической физики, том 47, вып. 21, с. 32-35 (год публикации - 2021).

2. Гридчин В.О., Драгунова А.С., Котляр К.П., Резник Р.Р., Комаров С.Д., Крыжановская Н.В., Сошников И.П., Самсоненко Ю.Б., Цырлин Г.Э. Morphology transformation of InGaN nanowires grown on Si substrate by PA-MBE Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2086 P. 012013 (год публикации - 2021).

3. Гридчин В.О., Котляр К.П., Резник Р.Р., Драгунова А.С,, Крыжановская Н.В,, Лендяшова В.В., Кириленко Д.А., Сошников И.П., Шевчук Д.С., Цырлин Г.Э. Multi-colour light emission from InGaN nanowires monolithically grown on Si substrate by MBE Nanotechnology, Vol. 32, art. N. 335604 (год публикации - 2021).

4. Жуков A.Е. , Крыжановская Н.В. , Моисеев Э.И. , Надточий А.М. , Максимов М.В. , Драгунова А.С. Учет подложки при расчете электрического сопротивления микродисковых лазеров Физика и техника полупроводников, Том 55 вып. 2, с. 195-200 (год публикации - 2021).

5. Жуков А.Е. , Крыжановская Н.В. , Моисеев Э.И. , Драгунова А.С. , Надточий А.М. , Максимов М.В. , Гордеев Н.Ю. Увеличение эффективности тандема полупроводниковый лазер - оптический усилитель на основе самоорганизующихся квантовых точек Физика и техника полупроводников, Том 55 вып. 12 с. 1223-1228 (год публикации - 2021).

6. Жуков А.Е. , Крыжановская Н.В. , Моисеев Э.И. , Надточий А.М. , Зубов Ф.И. , Фетисова М.В., Максимов М.В. , Гордеев Н.Ю. Мощность насыщения оптического усилителя на основе самоорганизующихся квантовых точек Физика и техника полупроводников, Том 55 вып. 9 с. 820-825 (год публикации - 2021).

7. Жуков А.Е. , Моисеев Э.И., Надточий А.М. , Драгунова А.C. , Крыжановская Н.В. , Кулагина М.М. , Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Зубов Ф.И. , Максимов М.В. Энергопотребление при высокочастотной модуляции неохлаждаемого InGaAs/GaAs/AlGaAs-микродискового лазера Письма в журнал технической физики, Т. 47 Вып. 13 С. 28-31 (год публикации - 2021).

8. Жуков А.Е., Крыжановская Н.В., Моисеев Э.И., Максимов М.В. Quantum-dot microlasers based on whispering gallery mode resonators Light Science and Applications, Vol. 10 art. N. 80 (год публикации - 2021).

9. Зубов Ф., Максимов М., Моисеев Э., Воробьев А., Можаров А., Бердников Ю., Калюжный Н., Минтаиров С., Кулагина М., Крыжановская Н., Жуков А. Improved performance of InGaAs/GaAs microdisk lasers epi-side down bonded onto silicon board Optics Letters, Vol. 46, N. 16, PP. 3853-3856 (год публикации - 2021).

10. Крыжановская Н., Моисеев Э., Надточий А., Драгунова А., Фетисова М., Кулагина М., Гусева Ю., Минтаиров С., Калюжный Н., Танг М., Лиао М., Ву Дж., Чен С., Лиу Х., Жуков А. Monolithic and hybrid integration of InAs/GaAs quantum dot microdisk lasers on silicon Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 11775 PP. 117750P-1-5 (год публикации - 2021).

11. Крыжановская Н.В., Жуков А., Моисеев Э., Максимов М. III-V microdisk/microring resonators and injection microlasers Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 54, Art. N. 453001 (год публикации - 2021).

12. Можаров А, Бердников Ю., Соломонов Н., Новикова К., Надоян И., Школдин В., Голубок А., Кислов Д., Шалин А., Петров М., Мухин И. Nanomass Sensing via Node Shift Tracing in Vibrations of Coupled Nanowires Enhanced by Fano Resonances ACS Applied Nano Materials, V. 4, N. 11, P. 11989–11996 (год публикации - 2021).

13. Федоров В.В., Дворецкая Л.Н., Кириленко Д., Мухин И.С., Дубровский В.Г. Formation of wurtzite sections in self-catalyzed GaP nanowires by droplet consumption Nanotechnology, Vol. 32, Art. N. 495601 (год публикации - 2021).

14. Шаров В., Алексеев П., Федоров В., Нестоклон М., Анкудинов А., Кириленко Д., Сапунов Г., Коваль О., Цырлин Г., Большаков А., Мухин И. Work function tailoring in gallium phosphide nanowires Applied Surface Science, Vol. 563, art. N. 150018 (год публикации - 2021).

15. Шугуров К., Можаров А., Сапунов Г., Федоров В., Чернышева М., Мухин И. Single GaN nanowires for extremely high current commutation Physica Status Solidi - Rapid Research Letters, Vol. 15, N. 4, Art. N. 2000590 (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Сформирован научный коллектив в составе 27 человек, в том числе 4 доктора наук и 8 кандидатов наук. В число членов научного коллектива входит 21 исследователь (77.8%) в возрасте до 39 лет, включая 7 аспирантов. Опубликовано по тематике проекта 6 работ в журналах, входящих в базу Web of Science / Scopus / РИНЦ. Организована школа молодых ученых по тематике проекта: 9-я международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, инженерии и наноструктурам (“Saint-Petersburg OPEN 2022”, 24-27.05.2022). Представлено 10 докладов ведущих ученых, в том числе 1 доклад иностранного ученого. В школе-конференции приняли участие 277 молодых российских участника (до 39 лет включительно), в том числе 60 молодых ученых, 94 аспиранта и 123 студента очной формы обучения. Заключены и выполнены договоры на выполнение НИР по тематикам, родственным проекту. Объем софинансирования в 2022 г. составил 8.0 млн. руб. Впервые исследована возможность гибридной интеграции микродисковых лазеров А3В5 с подложками карбида кремния. Продемонстрирована возможность генерации в непрерывном режиме при комнатной температуре микролазеров, перенесенных на SiC с индивидуальной адресацией. Достигнуто тепловое сопротивление 0.26 К/мВт (для микролазеров диаметром 30 мкм), меньшее, чем в случае аналогичных приборов, интегрированных с Si. Выполнено моделирование теплового сопротивления гибридно интегрированных микролазеров и определены основные факторы, определяющие его величину. Обнаружено, что для микролазеров, гибридно интегрированных с подложкой, обладающей высокой теплопроводностью (более 0.9 Вт/(см*K)), основной вклад в тепловое сопротивление обусловлен слоями А3В5 мезы лазерного резонатора. Исследовано тепловое сопротивление микролазеров на основе лазерной гетероструктуры с оптически связанными волноводами (coupled large optical cavity, CLOC), в которой толщина слоев А3В5 между активной областью и поверхностью гибридно-интегрированой подложки уменьшена до 0.95 мкм. Достигнуто тепловое сопротивление 0.2 К/мВт (для D=30 мкм), что насколько нам известно, является наименьшим значением, сообщенным для микролазеров аналогичного диаметра на основе гетероструктур (Al)GaAs. Продемонстрировано рекордно-высокое значение мощности, излучаемой в свободное пространство в непрерывном режиме генерации 25 мВт. Разработан метод оценки уровня оптических потерь в микродисковых лазерных резонаторах с помощью сопоставления длин волн генерации микролазера и полоскового лазера, изготовленных из одной структуры. Обнаружено, что оптические потери в микролазерах на основе плотных массивов КТ InGaAs подчиняются зависимости 1/D. Основной вклад в потери дает поглощение моды в обедненной активной области у боковой стенки резонатора (толщиной около 2 мкм), вторым по величине фактором является рассеяние света на шероховатостях боковой границы. Измерены амрлитудно-частотные характеристики микродисковых лазеров в режиме прямой модуляции до 20 ГГц и определены параметры, определяющие быстродействие. Впервые определено дифференциальное усиление (4.3Е-16 см^2) и коэффициент компрессии усиления (2.4E-17 см^3) плотных массивов наноостровков InGaAs, формируемых не по механизму Странского-Крастанова. Впервые определен уровень шумов относительной интенсивности микродисковых лазеров на основе наноостровков InGaAs. Обнаружено, что интегральный RIN перестает зависеть от коэффициента подавления боковых мод SMSR начиная с 20 дБ и убывает приблизительно обратно пропорционально квадрату мощности. Ток, соответствующий безошибочной передаче данных, при этом составляет приблизительно 1.7 * пороговый ток. Впервые исследована взаимосвязь коэффициентов токовой зависимости частоты релаксационных колебаний (D-фактор) и ширины полосы модуляции (MCEF) от диаметра микролазера. Обнаружено, что оба меняются пропорционально 1/D, а в области малых размеров (< 20 мкм) демонстрируют насыщение. Впервые исследованы АЧХ микродисковых лазеров при повышенных температурах. Показано, что MCEF снижается пропорционально T в степени -m (~2). Наибольшее значение полосы модуляции при 55 оС превысило 4 ГГц. Развита модель для расчета параметров быстродействия микродисковых лазеров при различных размерах микрорезонатора, токах и температуре. Модель учитывает влияние, оказываемое на АЧХ как релаксационными колебаниями, так и паразитной емкостью, а также принимает во внимание саморазогрев микролазера, проявляющийся при увеличении тока прямого смещения. Созданы микродисковые лазеры, оптически сопряженные с планарным гребешковым волноводом, изготовленным из той же эпитаксиальной пластины. Подтверждено образование оптической связи между микрорезонатором и полосковым волноводом. Определены параметры конструкции, при которых вносимые потери малы. Обнаружено, что коэффициент подавления боковых мод после ввода излучения в волновод как правило увеличивается. Выполнены расчеты оптической мощности, которая может быть получена на выходе секции оптического усилителя полосковой конструкции, примыкающего к микродисковому лазеру. Показано, что при токе 50 мА и длине секции 150…200 мкм выходная мощность составит 9….14 мВт. С помощью микросферной фотолитографии и травления подготовлены подложки SiOx/Si и синтезирована серия образцов нитевидных нанокристаллов (ННК) прямозонных материалов (GaP, InAs и GaN) на кремниевых подложках. Использование маски, полученной термическим прокислением, позволило добиться однородного селективного зарождения ННК в отверстиях маски без разрастания оснований наноструктур. Созданы прототипы фотоприемников на основе упорядоченных массивов InAs ННК на Si, в которых наблюдается фотоотклик в ИК диапазоне, что подтверждает возможность использования ННК в качестве основы фотодиода, работающего вне диапазона кремниевых детекторов (длина волны более 1100 нм). На кремниевых подложках с предварительно текстурированным слоем оксида созданы светодиодные структуры на основе упорядоченных массивов n-GaN/InGaN/p-GaN ННК методом селективного роста МПЭ. Изучены транспортные свойства интерфейса n-GaN/n-Si и продемонстрирована выпрямляющая ВАХ. Напряжение открытия светодиодной структуры составило около 4,5 В, что типично для светодиодных устройств на основе GaN материалов. Измеренные спектры электролюминесценции продемонстрировали пик излучения в диапазоне 500 - 520 нм. Проведено исследование влияния слоя SOI на теплопроводность гибридных подложек и показано, что он ведет к увеличению температуры ростовой поверхности приблизительно на 60 оС. Определены параметры эпитаксиального роста, влияющие на рост ННК в системах материалов GaAs/SOI и GaN/SOI. Показано, что в случае использования SOI возможно увеличение эффективности излучения в несколько раз по отношению к росту на аналогичных подложках кремния.

 

Публикации

1. Бондаренко Д.Н., Гридчин В.О., Котляр К.П., Резник Р.Р., Кириленко Д.А., Баранов А.И., Драгунова А.С, Крыжановская Н.В., Максимова А.А., Цырлин Г.Э. Physical properties of GaN nanowires with core-shell InGaN/GaN insertions grown by PA-MBE on Si substrate Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 15 (3.3) (год публикации - 2022).

2. Гридчин В.О., Резник Р.Р., Котляр К.П., Шугабаев Т., Драгунова А.С., Крыжановская Н.В., Цырлин Г.Э. Plasma assisted molecular beam epitaxy growth of InGaN nanostructures on Si substrates Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 15 (3.3) (год публикации - 2022).

3. Жуков А.Е., Моисеев Э.И., Надточий А.М., Махов И.С., Иванов К.А., Драгунова А.С., Фоминых Н.А., Шерняков Ю.М., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Микушев С.В., Зубов Ф.И., Максимов М.В., Крыжановская Н.В. Dynamic characteristics and noise modelling of directly modulated quantum well-dots microdisk lasers on silicon Laser Physics Letters, V. 19, N. 2, P. 025801 (год публикации - 2022).

4. Зубов Ф.И., Моисеев Э.И., Надточий А.М., Фоминых Н.А., Иванов К.А., Махов И.С., Драгунова А.С., Максимов М.В., Воробьев А.А., Можаров А.М., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Гордеев Н.Ю., Крыжановская Н.В., Жуков А.Е. Improvement of thermal resistance in InGaAs/GaAs/AlGaAs microdisk lasers bonded onto silicon Semiconductor Science and Technology, V. 37, No. 7, P. 075010 (год публикации - 2022).

5. Зубов Ф.И., Шерняков Ю.М., Гордеев Н.Ю., Минтаиров С.А., Калюжный Н.А., Максимов М.В., Крыжановская Н.В., Моисеев Э.И., Надточий А.М., Жуков А.Е. Сверхвысокое модовое усиление в инжекционных полосковых лазерах и микролазерах на основе квантовых точек InGaAs/GaAs Квантовая электроника, Т. 52, № 7, стр. 593-596 (год публикации - 2022).

6. Хребтов А.И., Кулагина А.С., Драгунова А.С., Резник Р.Р., Цырлин Г.Э., Данилов В.В. Light quenching of photoluminescence in hybrid films of InP/InAsP/InP nanowires and CdSe/ZnS colloidal quantum dots Optical Materials, V. 127, P. 112277 (год публикации - 2022).


Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта заложены научные и технологические основы создания компактных температурно-стабильных лазерных микроизлучателей на основе квантово-размерных гетероструктур (квантовые точки) материалов А3В5 интегрированных с кремнием для нового поколения систем оптической связи и обработки информации, в том числе реализующих свою функциональность на кристалле (в составе оптоэлектронной интегральной схемы). Отработана технология создания микродисковых резонаторов и их различных модификаций, планаризации и пассивации, отработаны методы формирования электрических соединений к микрорезонаторам малого размера на кремнии. Продемонстрирована возможность безошибочной оптической передачи со скоростью 10 Гб/с, внутреннее быстродействие микродисковых лазеров позволяет ожидать дальнейшего увеличения скорости; достигнута мощность излучения в десятки мВт; продемонстрировано сохранение не только режима генерации, но и высокого быстродействия при повышенных температурах; установлена высокая надежность микролазеров на кремнии. Также продемонстрирована слабая чувствительность активной области на основе квантовых точек к безызлучательной рекомбинации (обусловленной как дефектами эпитаксиального происхождения, так и связанными с открытой поверхностью), что позволяет использовать для разработки активных оптоэлектронных компонент широкий класс гетероструктур и типов резонаторов. Показана применимость методов гибридной интеграции, первоначально развитых для интеграции с кремнием, и для других типов подложек (SiC), что открывает перспективы внедрения лазерных микроизлучателей в различные системы детектирования и обработки данных, реализующие свою функциональность на основе интеграции с различными инородными компонентами. Созданы обладающие высоким кристаллическим совершенством и оптическим качеством массивы нитевидных нанокристаллов, в том числе упорядоченные, синтезированные непосредственно на кремниевых подложках и ее разновидностях (SiC/Si, SOI). Разработана технология нанесения контактов как к нитевидным нанокристаллам, синтезированным на кремнии. Продемонстрированы прототипы фотоприемников и светоизлучателей на основе нитевидных нанокристаллов на кремнии. Таким образом, сделан существенный прорыв в направлении создания активных элементов кремниевой фотоники для будущих систем передачи и обработки информации, интегрированных с кремниевой транзисторной логикой. Это позволит существенно повысить скорость и помехоустойчивость передачи данных и снизить тепловыделение за счет перехода от полностью электрической передачи и обработки сигналов к оптоэлектронным системам, в которых связь между отдельными элементами транзисторной логики осуществляется с помощью оптических сигналов. Применение лазерных источников излучения, в отличие от светодиодных, позволяет реализовать быструю прямую модуляцию оптического сигнала. Простота конструкции и методов изготовления разработанных в настоящем проекте оптоэлектронных компонент, не требующих синтеза толстых эпитаксиальных слоев (например, распределенных Брэгговских отражателей) и электронной литографии, предполагает возможность внедрения предложенного решения, в случае его последующей успешной апробации, в производство. Возможное внедрение систем оптической связи на кристалле в компьютеры, в том числе персональные, будет иметь колоссальный социально-экономический эффект, поскольку в перспективе сможет существенно повысить их производительность.