Название:Многофункциональная полупроводниковая фотоника на основе (Al,Ga)N гетероструктур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-202 - Полупроводники
Ключевые слова:молекулярно-пучковая эпитаксия, гетероструктуры, твердые растворы AlGaN, квантовые ямы, сверхрешетки, поляризационное легирование, солнечно-слепые фотодетекторы, экситоны, межподзонные переходы, ультрафиолетовая фотоника, терагерцовая фотоника
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Иванов,СВ
Подразделения:
Код проекта:19-72-30040
В современной полупроводниковой фотонике, аналогично терагерцовому провалу (THz gap), существует провал в области среднего ультрафиолета (200-300 нм). Продвижение в эти две спектральные области затруднено как в плане создания излучателей, так и детекторов, не говоря о более сложных устройствах специальной техники, тогда как освоение этих областей имеет важное народнохозяйственное и оборонное значение. В то же время существует уникальный представитель А3-нитридного семейства – AlGaN, стабильный, термо- и радиационно стойкий материал, по своим физическим характеристикам и диапазону возможных межзонных и межподзонных переходов в наногетероструктурах идеально приспособленный для создания таких устройств. Исследование свойств AlGaN и возможности подобных применений проводится в течение последних 20 лет в ведущих мировых центрах. Однако до сих пор отсутствует широкомасштабный выпуск каких-либо приборов на его основе. Причина этого заключается в том, что реализация необходимых рабочих характеристик требует перехода на иной уровень как технологии создания, так и понимания физических механизмов, определяющих оптический отклик в этой исключительно сложной материальной системе, со свойственными ей поляризационными и пьезоэлектрическими полями, сложной структурой экситонных уровней, нетривиальной зависимостью поляризации излучения и высокой плотностью дефектов. В предлагаемом проекте предполагается параллельное освоение обоих труднодоступных диапазонов с использованием наногетероструктур, выполненных на основе всего одной материальной системы – AlGaN без добавления In. При этом межзонные и экситонные переходы будут основой функционирования фотонных гетероструктур среднего УФ диапазона, тогда как внутризонные переходы будут использованы в процессах детектирования и генерации излучения в ИК и ТГц диапазонах. В целом проект направлен на поиск и исследование механизмов и подходов, способствующих решению фундаментальных проблем, свойственных А3-нитридам, опираясь на возможности, предоставляемые плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксией (ПА МПЭ), которая является наиболее прецизионным методом создания наногетероструктур и хорошо развита коллективом участников проекта в ходе предыдущих исследований. Уникальные возможности ПА МПЭ будут дополнены оптической спектроскопией высокого пространственного и временного разрешения, прецизионной спектроскопией комбинационного рассеяния и ИК Фурье-спектроскопией, а также эффективными современными методами теоретического расчета электронных и оптических свойств сложных многокомпонентных полупроводниковых наноструктур, оптимизацией дизайна гетероструктур фотонных приборов и пост-ростовых технологий их изготовления. Основная задача, стоящая перед коллективом участников в области ультрафиолетового диапазона, заключается в преодоление катастрофического падения интенсивности сигнала, свойственного структурам с высоким содержанием алюминия, наряду с максимальным продвижением в коротковолновую область до 210 нм (AlN), причем без применения нерентабельных гомоэпитаксиальных подложек. Предполагается, что прецизионный контроль МПЭ технологии на атомарном уровне позволит осуществить управление электронным спектром квантоворазмерных фотонных гетероструктур (Al,Ga)N для достижения необходимой квантовой эффективности излучения нужной поляризации, а также необходимой чувствительности и спектральной селективности в УФ светодиодах и фотоприемниках, соответственно. В результате планируется создание прототипов таких приборов как высокочувствительные солнечно-слепые УФ-фотокатоды с отрицательным сродством электронов, p-i-n фотодиоды и фотодиоды Шоттки, работающие на длинах волн менее 290 нм, а также светодиоды среднего УФ диапазона на сапфире с мощностью излучения ~1мВт. Реализация приборов ИК и ТГц фотоники на основе межподзонных переходов в (Al,Ga)N гетероструктурах будет использовать большой разрыв зон в GaN-AlGaN системе и размерно-зависимое расщепление квантовых уровней в нвноструктурах. Исследования сверхрешеток и множественных квантовых ям GaN-AlN в этом направлении позволят создать прототипы приборов для телекоммуникационного диапазона ~1.55 мкм. Предельно малые (суб-пикосекундные) времена восстановления поглощения (140-400 фс), обусловленные сильным электрон-фононным взаимодействием, позволяют рассчитывать на создание приборов со скоростью передачи данных на порядок выше по сравнению с приборами на основе As-содержащих соединений. Планируемые исследования сверхрешеток GaN/AlGaN будут положены в основу для создания фотоприемников ТГц диапазона. Найденные физические и технологические решения будут полезны для разработки конструкций квантовокаскадных лазеров дальнего ИК и ТГц диапазонов, потенциально способных работать при комнатной температуре. Ранее коллективом исполнителей проекта, который давно представляет собой лабораторию мирового уровня, хорошо известную мировому нитридному сообществу, были получены результаты, определяющие в заметной степени ряд тенденций развития современной физики и нанотехнологии А3-нитридов и отраженные в 4-х монографиях в иностранных издательствах (2002-2018 гг). Поэтому не случайно, что в 2012 году коллектив исполнителей проекта проводил впервые в России крупный Международный симпозиум по росту А3-нитридов (ISGN4, 250 участников из 24 стран, www.ioffe.ru/ISGN4), а руководитель заявляемого проекта являлся его председателем. В 2019 году в Санкт-Петербурге запланировано проведение силами участников проекта 4-го Международного симпозиума по ультрафиолетовым материалам и приборам (IWUMD4), главным образом А3-нитридов, с ожидаемым числом иностранных участников 150 человек и сопутствующей Международной школой для молодых ученых. Предполагается, что данный проект будет еще одним звеном в цепи фундаментальных результатов общемирового значения. Практическое значение планируемых исследований, важное, в частности, для индустриальных партнеров, заинтересованных в проведении настоящего проекта, заключается в создании прототипов фотонных приборов для предельных спектральных диапазонов, предназначенных для использования в медицине, системах безопасности, космической технике и других областях применения.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты 1. Новые технологические подходы в ПА МПЭ, обеспечивающие выполнение базовой технологической задачи проекта – контролируемого формирования (Al,Ga)N квантовых ям и сверхрешеток с заданной конфигурацией, планарной морфологией, достаточно низкой плотностью дефектов (менее 10^9 см-2), а также предельно резкими интерфейсами, составляющими не более 1-2 мономолекулярных слоев. 2. Тестовые образцы ультратонких квантовых ям и сверхрешеток GaN/AlN и результаты измерения в них пикосекундной и субпикосекундной кинетики релаксации экситонных состояний. Основные энергетические параметры тонкой структуры экситонов в таких структурах в зависимости от степени квантово-размерного ограничения. Результат выбора типа активной области светоизлучающих структур, обеспечивающей максимальную эффективность люминесценции в спектральной области среднего ультрафиолета. 3. Результаты анализа фундаментальных свойств фононной подсистемы в гетероструктурах тройных твердых растворов AlGaN. Разработанная теория, позволяющая определять из экспериментально измеренных рамановских спектров резкость интерфейсов в короткопериодных сверхрешетках вида GaN/Al(Ga)N. Описание механизмов встраивания акцепторной примеси магния в AlGaN и влияния ее положения в решетке на фононный спектр легированных слоев. 4. Оптимизированные конструкции гетероструктур, допускающие эффективное поляризационное легирование p-типа до величин концентрации дырок порядка (2-3)x10^18 см-3. 5. Тестовые гетероструктуры, позволяющие изготовить фотокатоды с контрастом фоточувствительности в солнечно-слепом диапазоне (λ<290нм) и остальном УФ-диапазоне в диапазоне 10 – 100. 6. Тестовые образцы сверхрешеток GaN/AlGaN, демонстрирующие фоточувствительность в диапазоне 5-10 ТГц. 7. Оптимизированные импульсные режимы ПА МПЭ роста AlGaN слоев, обеспечивающие минимальные концентрации токопроводящих каналов в ростовых направлениях. Разработанная необходимая конструкция туннельных переходов для их введения в р-эмиттеры диодных структур. 8. Оптимизированные конструкции солнечно-слепых p-i-n фотодиодов и фотодиодов Шоттки на основе AlGaN гетероструктур, обеспечивающие границу длинноволновой спектральной чувствительности менее 260 нм (космос) и 290 нм (атмосфера) при максимальной чувствительности не менее 30 мA/Вт. 9. Оптимизированная конструкция сверхрешеток GaN/AlN, предназначенных для работы фоточувствительных приборов на основе межподзонных переходов, и обеспечивающих детектируемую спектральную чувствительность в телекоммуникационной спектральной области 1.55 мкм. 10. Конструкция и полный цикл технологий изготовления прототипов базовых приборов УФ-фотоники: УФ фотокатодов, УФ светодиодов и фотоприемников, а также униполярных фотоприемников, работающих в ИК-TГц спектральном диапазоне. Техническое задание на проведение НИОКР силами вовлеченных в проект индустриальных партнеров по тематике выполненной НИР. Реализация проекта будет способствовать получению новых знаний о зонной структуре и спектре экситонных состояний в наногетероструктурах AlGaN, кинетике релаксации экситонов и их взаимодействии со встроенными электрическими полями и фононными модами, а также о микроскопической природе фононных мод, связанных с расположением акцепторной примеси Mg в кристаллической решетке твердых растворов AlGaN. Будут получены данные об эффективности и скоростях межподзонных переходов с участием фононов. Будут выработаны рекомендации в области снижения плотности структурных дефектов, контроля встроенных электрических полей, упругих напряжений и морфологии активных областей фотонных приборов. Значимость новых данных особенно велика для реализации элементной базы УФ фотоники, в частности УФ фотокатодов с отрицательным электронным сродством и диодных фотоприемников для солнечно-слепого диапазона с рабочими длинами волн менее 290 нм, а также компактных и экономичных источников УФ излучения диапазона 230-300 нм для оптической дезинфекции воды/воздуха/пищи, оптической УФ-спектроскопии для детектирования различных биологических веществ, в медицине, системах космической связи и др. В ИК и терагерцовом диапазоне полученные данные будут востребованы для создания приборов, работающих при комнатной температуре в телекоммуникационном ИК диапазоне с высокой скоростью передачи данных, а также высокотемпературных ТГц детекторов и излучателей. В совокупности, предлагаемый проект, посвященный исследованию фундаментальных проблем А3-нитридной фотоники, будет способствовать освоению граничных спектральных диапазонов в плане создания новых термо- и радиационно-стойких высокоэффективных фотонных приборов, существенная часть которых будет реализована в рамках проекта в виде макетных образцов во взаимодействии с индустриальными партнерами. Данные исследования являются уникальными для РФ и будут выполняться на самом передовом мировом уровне.