Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект №17-79-10465 «Интегральные устройства нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов» направлен на поиск и разработку перспективных функциональных материалов на основе халькогенидных полупроводниковых соединений для энергонезависимых интегральных устройств нанофотоники с возможностью изменения параметров оптического сигнала и их апробацию в изготовленных прототипах, включая кольцевые микрорезонаторы, интерферометры Маха-Цендера и делители сигнала. Первый этап проекта был нацелен на проведение синтеза материалов, получение и исследование функциональных пленок на их основе, отработку технологии формирования интегрально-оптических делителей сигнала с различной протяженностью функциональной области. В результате выполнения первого этапа были синтезированы материалы GeTe, Sb2Te3, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4, GeSb4Te7. Сформированы тонкопленочные образцы функциональных материалов с применением методов вакуумно-термического испарения синтезированных материалов и магнетронного распыления поликристаллических мишеней. По результатам исследования элементного состава методами рентгеноспектральной микроанализа и Оже-электронной спектроскоии обоснован выбор магнетронного распыления мишеней в качестве основного метода получения пленок с равномерным распределением состава по толщине для проведения дальнейших экспериментов. Измерены температурные зависимости удельного сопротивления исследуемых образцов тонких пленок Ge-Sb-Te и определены температурные диапазоны фазовых превращений. Получены и расшифрованы спектры комбинационного рассеяния света для тонких пленок Ge2Sb2Te5, позволившие определить изменение параметров пиков, ассоциированных с различными колебательными модами, в результате протекания фазовых превращений. Определены механических параметры (твердость, модуль Юнга, жесткость) и адгезионная прочность тонких пленок GeTe, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4, сформированных на различных подложках. По результатам исследования температурных зависимостей удельного сопротивления определено, что формирование поверхностного защитного покрытия SiO2 методом электронно-лучевого испарения не изменяет свойств тонких пленок Ge-Sb-Te и не влияет на исходное аморфное фазовое состояние халькогенидного слоя, но может повлиять на процесс кристаллизацию и предотвратить разделение материала на различные фазы за счет исключения протекания процесса окисления. Установлено влияние различных химических растворов, применяемых в процессах отмывки, проявления и травления фото- и электронно- резистов, на морфологию поверхности тонких пленок функциональных материалов системы Ge-Sb-Te. Отработан процесс плазмохимического травления тонких пленок Ge-Sb-Te и найдена рецептура, обеспечивающая, с одной стороны, высокую скорость, а с другой стороны, ровность края. В результате проведенной отработки процессов прямой и взрывной электронной литографии были сформированы технологические маршруты, обеспечивающие возможность формирования микро- и нано- размерных областей функциональных материалов с вертикальными профилями стенок и достаточным для изготовления нанофотонных устройств аспектным соотношением. На основе численного моделирования эффективного показателя преломления волноводов с аморфным и кристаллическим Ge-Sb-Te, а также анализа S-параметров сделан и обоснован выбор конфигурации материалов и геометрических параметров волноводных структур. Разработана конструкция и топология интегрально-оптических делителей сигнала (1:1) с различной протяженностью функциональной области. В процессе отработки технологии формирования и оптимизации структуры тонкопленочных волноводов и дифракционных решеток, обеспечивающих ввод/вывод излучения, на основе выбранных материалов изготовлены тестовые структуры и проведено предварительные исследования эффективности ввода/вывода света, а также коэффициента пропускания структур в зависимости от ширины волновода. По результатам исследований разработан технологический маршрут изготовления тонкопленочных волноводов и дифракционных решеток, обеспечивающих ввод-вывод излучения, на основе выбранных материалов. За время выполнения первого этапа проекта полученные результаты были представлены или приняты к представлению в виде пяти докладов на четырех научно-технических конференциях. На основе полученных результатов были подготовлены рукописи двух статей для публикации в изданиях, индексируемых в базах данных WOS и Scopus и входящих в Q1 (Acta Materialia. JCR - 7,656; SJR - 3,662 (Q1); Optic Express. JCR - 3.669; SJR - 1,533 (Q1)).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект №17-79-10465 «Интегральные устройства нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов» направлен на поиск и разработку перспективных функциональных материалов на основе халькогенидных полупроводниковых соединений для энергонезависимых интегральных устройств нанофотоники с возможностью изменения параметров оптического сигнала и их апробацию в изготовленных прототипах, включая кольцевые микрорезонаторы, интерферометры Маха-Цендера и делители сигнала. Работы данного этапа были сфокусированы на исследовании влияния изменения состава материала по линии квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3 и протяженности функциональных ячеек на ключевые характеристики изготовленных интегрально-оптических делителей сигнала, оптические параметры и процесс лазерной модифицкации. В ходе выполнения работ были изготовлены интегральные нанофотонные устройства с балансными делителями сигнала (1:1) для каждого из исследуемых фазопеременных материалов (PCM) с линии квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3 (GeTe, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4, GeSb4Te7 и Sb2Te3). Численное моделирование, проведенное на основе результатов определения спектральных значений коэффициента экстинкции и показателя преломления методом эллипсометрии, показало, что при длине покрытия PCM до 1–2 мкм рассеяние света вносит существенный вклад в коэффициент аттенюации, а, следовательно, приводит к повышенным оптическим потерям на элементе. Данный результат был подтвержден результатами экспериментальных исследований набора изготовленных балансных делителей сигнала, в которых протяженность области фазопеременного материала, располагаемого в середине одного из плеч, варьировалась в диапазоне от 100 нм до 3 мкм. Кроме того, было установлено, что процесс кристаллизации области фазопеременного материала сопровождается существенным увеличением эффективного коэффициента затухания, к примеру, для размеров ячеек Ge2Sb2Te5, равных 0,1, 1 и 5 мкм, измеренные эффективные коэффициенты затухания для аморфного состояния составили 0,24, 0,5 и 0,14 дБ/мкм, а коэффициенты затухания для кристаллического состояния составили 1,15, 9,25 и 4,8 дБ/мкм соответственно. Зафиксированный контраст является более чем достаточной величиной для обеспечения многоуровневого переключения с приемлемым для работы уровнем сигнал-шум. Полученные данные позволяют легко предсказывать поведение балансных делителей на практике. Например, для преобразования балансного делителя из делителя 1:1, в делитель 2:1 необходимо расположить ячейку GST124 шириной 10 мкм, которая приведет к ослаблению в одном из плеч на 3,3 дБ и т.д. Дополнительно по результатам лазерного облучения было установлено, что смещение состава исследуемых материалов по линии квазибинарного разреза от GeTe к Sb2Te3 приводит к уменьшению пороговых плотностей энергий процессов лазерной кристаллизации и аморфизации, что может быть использовано для уменьшения энергопотребления разрабатываемых нанофотонных устройств. Дополнительно было выявлено, что проведенная на первом этапе проекта модификация технологии формирования слоев PCM материалов и достигнутое повышение качества их поверхности и распределения элементного состава по толщине обеспечило возможность формирования строго упорядоченных лазерно-индуцированных двухфазных периодических структур на площади большого размера, которые демонстрируют возникновение анизотропии оптических свойств и могут выступать в качестве перестраиваемых дифракционных решеток. В настоящий момент научной группой прорабатывается возможность применения эффекта образования данных структур в интегральных элементах, разрабатываемых в проекте. Заключительной задачей, которая была решена в рамках данного этапа, являлось проведение подготовительных работ, в том числе определение и оптимизация наиболее критичных операций технологического маршрута формирования кольцевых резонаторов и интерферометров Маха-Цендера, запланированных к изготовлению на следующем этапе проекта. Таким образом, в рамках 2 этапа было установлено, что вариация состава материала по линии квазибинарного разреза GeTe к Sb2Te3 позволяет эффективно управлять оптическими свойствами PCM ячеек, а, следовательно, влияет на параметры работы создаваемых волноводных структур. Применение результатов исследований обеспечивает возможность миниатюризации ячеек при сохранении значительного контраста свойств, что обеспечит возможность реализации многоуровневой записи информации без существенного снижения соотношения сигнал-шум. Полученные результаты были представлены в виде шести докладов на четырех научно-технических конференциях. Кроме того, за время выполнения второго этапа были опубликованы или приняты к публикации четыре статьи в изданиях, индексируемых в базах данных WOS и Scopus и входящих в Q1, а именно в Acta Materialia (IF = 8.203), APL Materials (IF=5.096), Optics and Laser Technology (IF=3.867), Materials (IF=3.920).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Работы 3 этапа проекта были сфокусированы на исследовании влияния изменения состава функциональной области фазопеременного материала (РСМ) вдоль линии квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3 и протяженности функциональных ячеек на ключевые характеристики изготовленных интегрально-оптических элементов, в частности кольцевых микрорезонаторов и интерферометров Маха-Цендера. В ходе выполнения работ были разработаны и апробированы литографические шаблоны и лабораторно-технологический регламент для изготовления чипов с набором перечисленных интегральных элементов нанофотоники с функциональной областью РСМ различного состава (GeTe, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4, GeSb4Te7 и Sb2Te3) и протяженности (от 100 нм до 3 мкм). Изготовленные элементы были исследованы методами оптической, атомно-силовой, растровой электронной и просвечивающей электронной микроскопий. Анализ результатов данного комплексного исследования показал, что: геометрические размеры изготовленных структур соответствуют геометрическим размерам, заложенным в шаблонах (погрешность размеров в плоскости поверхности составляет не более 40-50 нм); толщина сформированных элементов и осажденных тонких пленок отличается от заданной не более, чем на 5 %; исходные свежеосажденные тонкие пленки РСМ находятся в аморфном состоянии, а при прохождении лазерного излучения с необходимой мощностью через волновод наблюдается оптическое переключение функциональной области за счет ее кристаллизации в fcc-структуру. По результатам анализа спектральных зависимостей пропускания, измеренных через порты изготовленных кольцевых микрорезонаторов и интерферометров Маха-Цендера в диапазоне от 1510 до 1620 нм, определены ключевые параметры, характеризующие работоспособность элементов. Определено, что наличие ячейки с областью PCM приводит как к уменьшению глубины резонансных пиков и оптической мощности, так и к их уширению и сдвигу в сторону больших длин волн. Сдвиг в сторону больших длин волн связан с локальным увеличением действительной части эффективного показателя преломления волновода с ячейкой PCM, а уменьшение глубины резонансного пика и его уширение - с увеличением мнимой части. Наиболее слабой аттенюацией среди исследованных составов обладает соединение GeTe (α ≈ 0.28 Дб/мкм). Смещение состава материала ячейки PCM по линии квазибинарного разреза от GeTe к Sb2Te3 приводит к увеличению коэффициента аттенюации, к примеру, для материала Ge2Sb2Te5 характерна α ≈ 0.32 Дб/мкм, а для GeSb2Te4 - α ≈ 0.44 Дб/мкм. Сделан и обоснован вывод, что для достижения максимальной аттенюации света, обеспечения расширенного оптического контраста и высокой скорости переключения, являющихся ключевыми характеристиками для приложений многоуровневой оптической памяти, предпочтительно использовать соединение GeSb4Te7, в то время как для элементов двоичной логики, когда необходимо задать только два состояния (“0” и “1”), а также освещать и переключать большое количество последовательно соединенных ячеек, следует выбрать GeTe. При этом Ge2Sb2Te5 можно считать “универсальным” соединением, обеспечивающим наилучшую совокупность параметров, характеризующих работу изготовленных устройств нанофотоники, за счет обладания им компромиссным набором свойств (коэффициент аттенюации, оптический контраст, скорость переключения, температурная стабильность и т.д.). Определено, что коэффициент затухания оптической мощности лазерного излучения, проходящего по волноводу, зависит не только от материала, из которого она изготовлена, но и от геометрических размеров функциональной области РСМ. Установлено, что наиболее широкий оптический контраст между кристаллическим и аморфным состоянием достигается на элементах интегральной фотоники с протяженностью ячейки фазопеременного материала, находящейся в диапазоне от 1 до 3 мкм, что подходит для изготовления перестраиваемых элементов интегральной фотоники на основе фазопеременных материалов с применением доступных в РФ фотолитографических процессов и открывает перспективы производственной апробации разработанных решений. Разработаны рекомендации по дальнейшему развитию и совершенствованию созданных устройств нанофотоники с функциональными халькогенидными полупроводниковыми материалами по следующим направлениям: 1 - оптимизация технологии созданных интегральных фотонных устройств; 2 - продолжение материаловедческого поиска с целью улучшения совокупности свойств применяемых фазопеременных материалов; 3 - применение в созданных интегральных фотонных устройствах перспективных для фазопеременных материалов эффектов. За время выполнения 3 этапа полученные результаты были представлены в виде 5 докладов на научно-технических конференциях, а также использованы в подготовке 2 статей для журналов: 1 - Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques (JCR - 0,360, Q4, статус - принята к печати); 2 - Laser and Photonic Review (JCR - 10,947 (Q1), SJR - 3,172 (Q1), статус - назначены рецензенты).