Коллективные эффекты в усилении поглощения и излучения света ИК диапазона в наноструктурах на основе кремния

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

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

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00070

НазваниеКоллективные эффекты в усилении поглощения и излучения света ИК диапазона в наноструктурах на основе кремния

Руководитель Двуреченский Анатолий Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые слова гетероструктуры с квантовыми точками, молекулярно-лучевая эпитаксия, оптические явления, поглощение/излучение света, плазмоника, кремний, германий, фотодетектор

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен решение проблемы низкой квантовой эффективности кремниевых детекторов и излучателей света ближнего ИК-диапазона (1.3–1.55 мкм). Кремний является основным материалом элементной базы полупроводниковой электроники с непревзойденным, по сравнению с другими материалами, уровнем монолитной интеграции в коммерческих интегральных схемах для применения в информационно-вычислительных и управляющих системах, системах связи, цифровом телевидении, силовой электроники. Растущий объем обрабатываемой информации выявил предельные ограничения металлических проводников в качестве межсоединений в микросхемах для частотного диапазона, потребления энергии и взаимного влияния элементов схемы. Решение возникших проблем связывается с развитием оптических межсоединений на основе технологий кремниевой фотоники для будущих систем передачи данных. Ожидаемая перспективность кремниевой фотоники связана, прежде всего, с полной совместимостью с КМОП (комплементарная металл-окисел полупроводник структура) технологией. Однако, на этом пути предстоит решить ряд технологических проблем, перед тем как кремниевая фотоника сможет стать широко используемой в высокоскоростной передаче данных с необходимой чувствительностью оптических систем. Основная проблема связана с ключевыми оптическими свойствами кремния, такие как непрямые оптические переходы не только в пространстве волновых векторов, но и в реальном геометрическом пространстве, поэтому квантовая эффективность недостаточна для создания реальных приборов. Кроме того, для структур Ge/Si с квантовыми точками плотность состояний, связанных с квантовыми точками, ограничена их плотностью и поэтому мала, приводя к малому коэффициенту поглощения света и малой эффективности излучения. Для применения кремния в приборах оптоэлектроники необходимы новые подходы в расширении кремниевой оптической платформы с увеличением поглощения и эффективности излучения света в ИК – диапазоне. Недавний прорыв в кремниевой фотонике включает ряд важных достижений: лазер с электрической накачкой на основе сильно легированного Ge [Camacho-Aguilera R E, et al. Optics express 20 11316 (2012)]; лазер на квантовых точках в структурах A3B5, соединенных (bonded) с Si подложкой [Liu A Y, et al. Appl. Phys. Lett. 104, 041104 (2014)]; лазер на квантовых точках в эпитаксиальных структурах A3B5 на Ge и Si подложках [Chen S, et al. Nature Photonics 10 307 (2016)]; лазер на основе слоев SnGe, выращенных на Si подложках и функционирующий при криогенных температурах [Wirths S, et al., Nature Photonics 9, 88 (2015)]; усиленная упругими деформациями фотолюминесценция от упорядоченных в плоскости роста групп квантовых точек Ge в гетероструктурах Ge/Si, [Zinovyev V.A., et al. Appl. Phys. Lett. 110, 102101 (2017)]; лазерное излучение в гетероструктурах Ge/Si(001) с квантовыми точками Ge, в которые на основе инженерии дефектов вводились локальные уровни для обеспечения прямых переходов [Grydlik M, et al. ACS Photonics 3, 298–303 (2016)]. Однако полная толщина слоев GaAs, InAs и AlGaAs, включающая буферные и покрывающие слои для лазеров на квантовых точках в структурах A3B5, соединенных (bonded) или эпитаксиально выращенных на Si подложке превышает 3 мкм. Такое сильного изменения рельефа поверхности, неприемлемое для наносхем, удается избежать только при бездефектном эпитаксиальном росте гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками. Предлагаемый подход к решению проблемы повышения квантовой эффективности кремниевых детекторов и излучателей света ближнего ИК-диапазона (1.3–1.55 мкм) состоит в использовании резонансного взаимодействия поверхностных плазмонных мод с оптическими межзонными переходоми в гибридных гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками Ge, сопряженных с регулярными металлическими субволновыми решетками на поверхности полупроводника. Авторами проекта были получены результаты, которые важны для успешного выполнения проекта. Для диапазона длин волн фотонов 3–5 мкм созданы гибридные ИК фотодетекторы Ge/Si с квантовыми точками Ge, сопряженные с субволновыми золотыми решетками. Двумерные периодические решетки круглых отверстий в золотых пленках выступали в качестве метаповерхностей, позволяющих преобразовать внешнее электромагнитное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны. Данные свойства позволили многократно увеличить величину фототока и обнаружительной способности в гибридных фотодетекторах на основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками в спектральных окнах 3–5, получить плазмонное усиление люминесценции в области 0.8-1 эВ в аналогичных структурах с нанодисками Ag на поверхности слоя с квантовыми точками, создать первые полупроводниковые измерители поляризации падающего излучения. Компоненты плазмоники и метаматериалов совместимы с электронными микросхемами благодаря используемым в плазмонике субволновых размеров и электропроводящим материалам. Поэтому плазмонные наносхемы обладают высоким потенциалом в минимизации интегрированных фотонных схем, обеспечивая связь между электроникой и фотоникой. Исследования взаимодействия плазмонных возбуждений и межзонных электронных переходов в квантовых точках в диапазоне 1.3–1.55 мкм практически отсутствуют. Исследования процессов плазмонного усиления для коротких длин волн являются принципиально новыми, так как открывают новые возможности в изучении фундаментальных явлений, таких как дисперсия поверхностных плазмонных мод и их взаимодействие с дипольными возбуждениями в квантовых точках, а также новые подходы к управлению спектральной полосой чувствительности детекторов оптического излучения и излучателей света в наноструктурах на основе кремния. Проведенный анализ показывает, что следует ожидать значительно более сильного проявления плазмонных эффектов в ближней ИК-области спектра, поскольку в этом диапазоне длин волн реальная часть диэлектрической функции большинства металлов отрицательна и по абсолютной величине близка к диэлектрической проницаемости полупроводниковой гетероструктуры. При таких условиях происходит сильное связывание светового излучения в тонкой активной области Si, занятой квантовыми точками, и, как следствие, многократное увеличение поглощения/излучения света за счет генерации поверхностных плазмон-поляритонных волн. Новизной подхода в решения поставленной проблемы является также сочетание плазмоники с наноструктурами Ge/Si, разработанными авторами проекта при решении указанной выше проблемы на основе методов формирования упорядоченных ансамблей квантовых точек для усиления поглощения/излучения света полем упругих деформаций, а также введением локальных уровней в квантовые точки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Якимов А.И., Блошкин А.А., Двуреченский А.В. Plasmonic Field Enhancement by Metallic Subwave Lattices on Silicon in the Near-Infrared Range JETP Letters, Vol. 110, No. 6, pp. 411–416 (год публикации - 2019)
10.1134/S0021364019180115

2. Двуреченский А.В., Зиновьев В.А., Зиновьева А.Ф., Новиков П.Л., Рудин С.А. Моделирование контролируемого зарождения и роста упорядоченных ансамблей квантовых точек в гетероструктурах на основе Si Материалы I международной конференции "Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов МММЭК-2019", стр.48 (год публикации - 2019)
10.29003/m682.MMMSEC-2019

3. Двуреченский А.В., Смагина Ж.В., Зиновьев В.А., Новиков П.Л., Рудин С.А. Atomic-Scale Tuning of Quantum Dot Site Nucleation and Si Based Nanostructures Growth on Ion Beam Modified Surface Abstract Book of the 21st International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, стр.136 (год публикации - 2019)

4. Половников Н.А.,Зиновьев В.А., Зиновьева А. Ф., Ненашев А.В., Двуреченский А.В. Моделирование усиления излучения от квантовых точек в гибридных структурах c наночастицами серебра. Тезисы школы молодых ученых "Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем", стр. 55 -56 (год публикации - 2019)

5. Кацюба А.В., Двуреченский А.В., Камаев Г.Н., Володин В.А., Крупин А.Ю. Radiation-Induced epitaxial CaSi2 film growth at the molecular-beam epitaxy of CaF2 on Si. Materials Letters, V. 268, p.127554 (год публикации - 2020)
10.1016/j.matlet.2020.127554

6. Зиновьева А.Ф., Зиновьев В.А., Ненашев А.В., Тийс С.А., Двуреченский А.В., Бородавченко О.М., Живулько В.Д., Мудрый А.В. Photoluminescence of compact GeSi quantum dot groups with increased probability of finding an electron in Ge Scientific Reports, v. 10, 9308 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-64098-x

7. Зиновьева А.Ф., Зиновьев В.А., Ненашев А.В., Двуреченский А.В., Кацюба А.В., Бородавченко О.М., Живулько В.Д., Мудрый А.В. Self-assembled epitaxial metal–semiconductor nanostructures with enhanced GeSi quantum dot luminescence Journal of Applied Physics, v. 127, 243108 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0009050

8. Ненашев А.В., Двуреченский А.В. Variational method of energy level calculation in pyramidal quantum dots Journal of Applied Physics, v. 127, 154301 (год публикации - 2020)
10.1063/1.5143822

9. Якимов А.И., Кириенко В.В., Блошкин А.А., Двуреченский А.В., Уткин Д.Е. Near-infrared photoresponse in Ge/Si quantum dots enhanced by localized surface plasmons supported by aluminum nanodisks Journal of Applied Physics, v. 128, p.143101 (год публикации - 2020)
10.1016/j.photonics.2020.100790

10. Якимов А.И., Блошкин А.А., Двуреченский А.В. Tailoring the optical field enhancement in Si-based structures covered by nanohole arrays in gold films for near-infrared photodetection. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, v.40, p. 100790 (год публикации - 2020)
10.1016/j.photonics.2020.100790

11. Зиновьев В.А., Зиновьева А.Ф., Ненашев А.В., Двуреченский А.В. Modeling of plasmonic enhancement of GeSi quantum dot emission in hybrid structures with silver nanoparticles Proceedings of 28th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology"., p. 117-118 (год публикации - 2020)

12. Зиновьев В.А., Зиновьева А.Ф., Ненашев А.В., Смагина Ж.В., Новиков А.В., Двуреченский А.В. Моделирование плазмонного усиления излучения Ge(Si) квантовых точек в гибридных структурах c наночастицами серебра Материалы XXIV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Том 2, c. 591-592 (год публикации - 2020)

13. Блошкин А.А., Якимов А.И., Двуреченский А.В. Plasmonic field enhancement by metallic subwave gratings on Silicon in the near-infrared range Proceedings of 28th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Minsk, Belarus, p. 56-57 (год публикации - 2020)

14. Кириенко В.В., Якимов А.И., Блошкин А.А., Двуреченский А.В., Уткин Д.Е. УСИЛЕНИЕ ФОТОТОКА КОМПОЗИТНЫМИ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МЕТАПОВЕРХНОСТЯМИ В ФОТОПРИЕМНИКАХ НА БАЗЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК Ge/Si XIII Международная Конференция «Кремний-2020» и XII Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе. Республика Крым, Гурзуф, стр.162-163 (год публикации - 2020)

15. Двуреченский А, Якимов А., Зиновьева А., Ненешев А., Зиновьев В. Site-controlled Nucleation in Ordered Array of Epitaxial SiGe Quantum Dots: Growth, Properties and Application 3rd International Conference on Nanomaterials Science and Mechanical Engineering. University of Aveiro, Portugal, Book of Abstract, p. 38 (год публикации - 2020)

16. Двуреченский А.В., Якимов А.И., Кириенко В.В., Блошкин А.А., Зиновьева А.Ф., Ненашев А.В., Зиновьев В.А. Advanced Si based Ge quantum dot nanostructures coupled with the plasmonic and hybrid metal-dielectric metaserfase for nanophotonics 13-й симпозиум с международным участием ТЕРМОДИНАМИКА И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, РОССИЙСКО-КИТАЙСКИЙ СЕМИНАР «Advance Materials and Structures», сборник тезисов, Новосибирск, стр. 207 (год публикации - 2020)

17. Двуреченский А.В., Якимов А.И., Зиновьева А.Ф.,Ненашев А.В., Зиновьев В.А. Физические явления в кремниевых квантово-размерных структура для компонент наноэлектроники, нанофотоники и спинтроники XIII Международная Конференция «Кремний-2020» и XII Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе. Республика Крым, стр. 25-26 (год публикации - 2020)

18. Двуреченский А.В., Зиновьев В.А., Зиновьева А.Ф., Ненашев А.В., Кацюба А.В., Мудрый Ф.В. Усиление фотолюминесценции Ge/Si квантовых точек в эпитаксиальных структурах с наночастицами серебра XIII Международная Конференция «Кремний-2020» и XII Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе. Республика Крым, Гурзуф, стр. 155 - 157 (год публикации - 2020)

19. Кацюба А.В., Двуреченский А.В., Камаев Г.Н., Киреенко В.В. Радиационно-стимулированный рост эпитаксиальных пленок CaSi2 XIII Международная Конференция «Кремний-2020» и XII Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе. Республика Крым, Гурзуф, стр. 131-133 (год публикации - 2021)

20. Двуреченский А.В., Якимов А.И., Зиновьева А.Ф., Зиновьев В.А., Кириенко В.В. Компоненты нанофотоники на основе кремниевых гетероструктур с квантовыми точками Ge/Si Международный форум «Микроэлектроника – 2020», Республика Крым, Ялта., стр. 627 – 628 (год публикации - 2020)
10.22184/1993-8578.2020.13.4s.627.628

21. А.И. Якимов, В.В. Кириенко, А.А. Блошкин, А.В. Двуреченский, Д.Е. Уткин Влияние адгезионных слоев на плазмонное усиление фототока металлическими нанодисками в фотодетекторах ближнего ИК-диапазона на базе квантовых точек Ge/Si Физика и техника полупроводников, т. 55, вып. 7, с. 596–601 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.07.51025.9643

22. В.А. Зиновьев, А.Ф. Зиновьева, Ж.В. Смагина, А.В. Двуреченский, В.И. Вдовин, А.К. Гутаковский, Д.И. Федина, О.М. Бородавченко, В.Д. Живулько и А.В. Мудрый Si-based light emitters synthesized with Ge+ ion bombardment Journal of Applied Physics, Journal of Applied Physics (год публикации - 2021)
10.1063/5.0063592

23. А.И. Якимов, В.В. Кириенко, А.А. Блошкин, А.В. Двуреченский, Д.Е. Уткин Near-infrared photoresponse in Ge/Si quantum dots enhanced by photon-trapping hole arrays Nanomaterials, v. 11, 2302 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11092302

Публикации