Важнейшие результаты законченных исследований
Многослойные зеркала на основе бериллия для ЭУФ диапазона (λ=11.1−30.4 нм)
Развита технология напыления многослойных зеркал на основе бериллия для диапазона длин волн 11.1−30.4 нм, обеспечивающая коэффициенты отражения, существенно превышающие мировой уровень. В составе оптических систем новые зеркала позволят повысить эффективность нанолитографов следующего поколения, увеличить контраст изображений телескопов для изучения короны Солнца в ЭУФ диапазоне в 1.2−2 раза, в зависимости от конкретной длины волны.
Авторы
А.Г. Фефелов — НПП «Салют"
Ю.А. Вайнер,
Аннотация
Результат связан с повышением отражательной способности Mo/Si многослойных зеркал, применяемых в схемах проекционной литографии на длине волны 13.5 нм, путем введения бериллиевых разделительных слоев. Увеличение отражательной способности многослойных зеркал даже на один процент, когда в схеме литографа используются 11 многослойных зеркал, приводит к росту производительности литографического процесса на 15−20%. Достигнутые на сегодняшний день коэффициенты отражения Mo/Si зеркал равны 70% (при теоретическом пределе 74%) и ограничены относительно большой шириной границ раздела слоев (в первую очередь границы Mo-on-Si). Проведенные ранее исследования бериллийсодержащих (Mo/Be) многослойных структур (МСС) показали, что при добавлении тонкой прослойки Si, граница между осажденными последовательно сверху слоями Be и Mo становится более резкой (среднеквадратичная шероховатость снижается с 0.36 нм до 0.27 нм), в результате чего возникла идея использовать Si в качестве третьего слоя для получения более высокого коэффициента отражения, чем в случае Mo/Si зеркал. Были изготовлены МСС типа (Mo/Be/Si)xN. Отражательная способность зеркал изучалась методами лабораторной и синхротронной (BESSY-2) рефлектометрии, тонкая структура поперечных срезов МСС изучалась методами высокоразрешающей электронной микроскопии. Коэффициенты отражения зеркал при нормальном падении составляли 71−71.6% на длине волны 13.5 нм и 72.8% на длине волны 12.9 нм, что является мировым рекордом и представляет интерес для литографии.
 |
 |
Публикации
- Chkhalo, N.I. High reflective Mo/Be/Si multilayers for the EUV lithography / N. Chkhalo, S. Gusev, A. Nechay, D. Pariev, V. Polkovnikov, N. Salashchenko, F. Schäfers, M. Sertsu, A. Sokolov, M. Svechnikov, and D. Tatarsky. High reflective Mo/Be/Si multilayers for the EUV lithography // Optics Letters (2017) (направлена в печать).
- Chkhalo, N.I. Be-based multilayers for EUV spectral range / N.I. Chkhalo, D.A. Gaman, A.N. Nechay, D.G. Pariev, V.N. Polkovnikov, N.N. Salashchenko, F. Schaefers, M.G. Sertsu, A. Sokolov, M.V. Svechnikov, S.Yu. Zuev // The PTB Seminar VUV and EUV Metrology. Berlin, Germany (2017)
- Sertsu, M.G. Nanoscale Mo/Be/Si Multilayer Structures for EUV Lithography application / M.G. Sertsu, F. Schäfers, A. Sokolov, N.I. Chkhalo, S.A. Gusev, A.N. Nechay, D.E. Pariev, V.N. Polkovnikov, N.N. Salashchenko, M.V. Svechnikov, D.A. Tatarsky // The Frontier of optical coating (FOC). Guangzhou, China. Sun Yat-sen University (2017)
Динамика квазичастиц в сверхпроводящих одноэлектронных турникетах во внешнем магнитном поле
Теоретически и экспериментально исследованы неравновесные состояния квазичастиц в одноэлектронных сверхпроводящих турникетах типа NISIN под действием внешнего магнитного поля. Показано, что магнитным полем можно существенным образом снизить токи утечки и увеличить время когерентности квантовых устройств за счет подавления или перераспределения концентрации неравновесных квазичастиц, что позволит улучшить работу эталона тока и, тем самым, замкнуть тройку эталонов, основанных на мировых константах.
Авторы
А.С. Мельников, И.М. Хаймович — ИФМ РАН
M. Taupin, M. Meschke — Aalto University School of Science, Finland
Shuji Nakamura, Yuma Okazaki — Nation. Inst. of Advanced Industrial Sci.&Techn., Japan
Yuri A. Pashkin — Lancaster University, Lancaster LA1 4YB, United Kingdom
A.С. Власенко — НИУВШЭ
Jaw-Shen Tsai — RIKEN Center for Emergent Matter Science, Tokyo Univ. of Sci., Japan
Аннотация
Экспериментально и теоретически исследованы неравновесные состояния квазичастиц в одноэлектронных сверхпроводящих турникетах типа SINIS и NISIN под действием внешнего магнитного поля. Показано, что магнитным полем можно существенным образом снизить токи утечки и увеличить время когерентности квантовых устройств за счет подавления или перераспределения концентрации неравновесных квазичастиц, что позволит улучшить работу эталона тока и, тем самым, замкнуть тройку эталонов, основанных на мировых константах. В частности, экспериментально и теоретически исследованы свойства вихрей как ловушек для неравновесных квазичастиц в мезоскопических сверхпроводниках. С использованием схемы электронного турникета показано, что как экранирующие токи, так и вихревые линии оказывают существенное влияние на релаксацию квазичастиц и транспорт заряда в одноэлектронном транзисторе. Построено теоретическое описание, позволяющее получить количественное согласие с экспериментом. Дополнительные состояния квазичастиц, формирующиеся в вихревом коре, подавляют эффект четности, что позволяет реализовать новый механизм перекачки заряда, вызванного входом/выходом вихрей в переменном магнитном поле.
Публикации
- M. Taupin, I.M. Khaymovich, M. Meschke, A.S. Mel’nikov, J.P. Pekola, Tunable quasiparticle trapping in Meissner and vortex states of mesoscopic superconductors, Nature Communications 7, Article number: 10977, 2016, doi:10.1038/ncomms10977 (2016)
- I.M.Khaymovich, V.F.Maisi, J.P.Pekola and A.S.Mel'nikov, Charge-vortex interplay in a superconducting Coulomb-blockaded island, Phys. Rev. B 92, 020501 (2015)
- Shuji Nakamura, Yuri A. Pashkin, Mathieu Taupin, Ville F. Maisi, Ivan M. Khaymovich, Alexander S. Mel’nikov, Joonas T. Peltonen, Jukka P. Pekola, Yuma Okazaki, Satoshi Kashiwaya, Shiro Kawabata, Andrey S. Vasenko, Jaw-Shen Tsai, and Nobu-Hisa Kaneko, Interplay of the Inverse Proximity Effect and Magnetic Field in Out-of-Equilibrium Single-Electron Devices, PHYSICAL REVIEW APPLIED 7, 054021 (2017).
Усиление ФЛ КТ Ge/Si на резонансах Ми в наноструктурах
Получено многократное усиление на резонансах Ми фотолюминесценции квантовых точек германия в кремниевых нанодисках в области длин волн 1.3−1.5 мкм, что открывает перспективы создания эффективных наноразмерных источников света на основе полупроводниковых наноструктур поддерживающих резонансы Ми, за счет инженерии дипольных мод как в отдельно взятом наноизлучателе, так и в группе связанных полем излучателей.
Авторы
А.В. Новиков, М.В. Шалеев — ИФМ РАН
V. Rutckaia, F. Heyroth, J. Schilling — Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, Germany
М. Петров — Университет ИТМО, Санкт-Петербург
Аннотация
В настоящее время одной из активно развиваемых областей фотоники является модификация взаимодействия излучения с веществом за счет использования различных микрорезонаторов. В последние годы в этой области значительный интерес привлекают к себе диэлектрические нанорезонаторы или Ми-резонаторы, которые имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с другими резонансными системами, такие как существенно меньшие размеры, чем размеры резонаторов на «шепчущих модах» и фотонных кристаллах, значительно меньшие потери по сравнению с резонаторами на плазмонных эффектах, и, в отличие от плазмонных резонаторов, возможность достичь концентрации электромагнитного поля не только снаружи, но и внутри резонансной структуры. Несмотря на то, что исследования взаимодействия источников излучения с нанорезонаторами, обладающими низшими Ми-модами, ведутся уже не первый год, существует крайне мало экспериментальных работ посвященных этому вопросу. При этом в ранее выполненных работах рассматривалось взаимодействие излучателей расположенных не внутри, а вблизи нанорезонатор. Однако из-за локализации поля мод внутри Ми-резонатора такой подход значительно снижает эффективность взаимодействия излучателя с собственными модами резонатора.
В предлагаемом результате впервые экспериментально исследовано взаимодействие излучателей на основе самоформирующихся Ge (Si) квантовых точек, помещенных внутрь нанорезонаторов, с собственными модами этих нанорезонаторов. Нанорезонаторы представляли собой отдельные нанодиски диаметром 300÷600 нм или системы из нескольких близкорасположенных нанодисков, которые были сформированы на структуре с решеткой Ge (Si) квантовых точек, выращенной методом МПЭ на подложке «кремний на изоляторе». Продемонстрировано значительное увеличение интенсивности сигнала люминесценции Ge (Si) квантовых точек при их встраивании в нанорезонаторы. Рост интенсивности люминесценции вызван хорошим пространственным перекрытием положения квантовых точек, встроенных внутрь резонатора, с электрическим полем мод Ми-резонансов. Показано, что направленность распространения излучения квантовых точек и его интенсивность могут быть значительно изменены за счет инженерии дипольных мод резонаторных систем, состоящих из нескольких нанодисков. В частности, 10-краткое увеличение интенсивности излучения достигнуто в структуре, состоящей из трех нанодисков, образующих линейную цепочку (линейного тримера), за счет возбуждения гибридных дипольных мод. Подавление излучения отдельного диполя за счет возбуждения гибридных дипольных мод увеличивает добротность резонансной системы в целом, что усиливает влияние эффекта Парселла на излучатели внутри кремниевых Ми-резонаторов. Полученные результаты открывают новые возможности для создания эффективных наноразмерных источников света на основе структур, поддерживающих Ми резонансы, за счет инженерии дипольных мод как в отдельном ренонаторе, так и в метаструктурах, состоящих из нескольких резонаторах.
Публикации
- V. Rutckaia, F. Heyroth, A. Novikov, M. Shaleev, M. I. Petrov, J. Schilling, «Quantum dot emission driven by Mie resonances in silicon nanostructures», Nano Letters 17 (11), DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03248 (2017)
Длинноволновое стимулированное излучение в квантовых ямах HgTe/HgCdTe
В гетероструктурах с квантовыми ямами HgTe/CdHgTe при оптической накачке получено стимулированное излучение на рекордно большой длине волны 19.5 мкм. Продемонстрировано подавление оже-рекомбинации в квантовых ямах по сравнению с объемными структурами и обусловленная этим возможность продвижения лазеров в диапазон длин волн 20−50 мкм.
Авторы
С.В. Морозов, В.В. Румянцев, М.А. Фадеев, М.С. Жолудев, К. Е. Кудрявцев,
Аннотация
Задача по созданию компактных твердотельных источников излучения дальнего инфракрасного (ИК) диапазона является одной из самых актуальных в современной физике полупроводников. В большей части среднего ИК диапазона лидирующее место среди полупроводниковых лазеров занимают монополярные квантовые каскадные лазеры (ККЛ), которые могут работать в непрерывном режиме при комнатной температуре вплоть до длины волны порядка 15 мкм, обеспечивая мощность излучения несколько ватт. Однако при продвижении в длинноволновый диапазон (λ > 15 мкм) их характеристики существенно падают, поскольку в этом диапазоне находятся полосы двухфононного поглощения полупроводников А3В5. Существующие ККЛ на основе полупроводников GaAs и InP не работают в диапазоне длин волн 24 — 60 мкм. Именно в этом, фактически уже дальнем ИК диапазоне, могут оказаться конкурентноспособными межзонные лазеры на основе наногетероструктур HgCdTe, поскольку частоты оптических фононов в полупроводниках А2В6 существенно ниже, чем в вышеупомянутых A3B5, и соответствуют спектральному диапазону 60 — 110 мкм.
В данной работе при 20 К продемонстрировано стимулированное излучение различных длин волн вплоть до 19.5 мкм из лазерных структур с квантовыми ямами HgTe/CdHgTe с диэлектрическим волноводом. Наблюдались обужение линии фотолюминесценции вплоть до энергии kT, а также сверхлинейный рост интенсивности последней, что свидетельствует о стимулированном характере излучения. При этом плотности мощности оптической накачки составляли всего 5 кВт/см2 при T = 18 К. Результаты работы демонстрируют, что структуры на основе КЯ HgTe/CdHgTe имеют большой потенциал для создания лазеров среднего и дальнего ИК диапазонов. Показано, что вероятность межзонной излучательной рекомбинации в структурах с потенциальными ямами меньше, чем в структурах с узкими КЯ HgTe при той же ширине запрещенной зоны. При этом вероятность излучательной рекомбинации в КЯ HgTe/CdHgTe уменьшается с шириной запрещенной зоны и составляет 4.4×107 1/c для КЯ шириной 3.5 нм (ширина запрещенной зоны 110 мэВ), и 1.5×107 1/c для КЯ шириной 5 нм (ширина запрещенной зоны 47 мэВ).
 |
| Спектры стимулированного излучения из волноводных структур с квантовыми ямами HgTe/CdHgTe. |
Публикации
- Appl. Phys. Lett. 111 (2017) — принята к публикации
- APL Materials 5, (2017)
Микродисковый лазер с КЯ InGaAs/GaAs на подложке Ge/Si (001)
Создан первый инжекционный гибридный микролазер ближнего ИК диапазона (0.94−0.99 мкм) с квантовыми ямами InGaAs/GaAs на согласованной подложке Ge-on-Si (001) для схем интегральной оптики на кристалле. Генерация достигнута при комнатной температуре в микролазерах с диаметрами 20¸30 мкм при импульсной накачке. Спектр генерации одномодовый с узкой шириной линии 35 пм.
Авторы
А.А. Дубинов, З.Ф. Красильник, А.В. Новиков, Д. В. Юрасов — ИФМ РАН
Н.В. Байдусь, Д.А. Павлов, А.В. Рыков, А. А. Сушков — ННГУ
М.М. Кулагина, С.И. Трошков, Ю.М. Задиранов — ФТИ им.
Аннотация
Предложен и исследован вариант GaAs/AlGaAs микродискового лазера с несколькими InGaAs квантовыми ямами, выращенными методомгазофазной эпитаксии из металлорганических соединений на неотклоненной Si (001) подложке с буферным слоем Ge.
Ge/Si виртуальная подложка была выращена в сверхвысоковакуумной установке МПЭ Riber SIVA-21 на неотклоненной подложке Si (001) n-типа (концентрация примеси ~5×1016 см-3) Затем виртуальная подложка Ge/Si помещалась в установку МОС-гидридной эпитаксии AIX 200RF, где при пониженном давлении (100 мбар) проводился рост лазерной гетероструктуры. Сначала выращивался буферный слой, состоящий из чередующихся слоев AlAs (10 нм)/GaAs (50 нм)/AlAs (10 нм). Предварительные исследования показали, что такие буферные слои обеспечивают зеркальную поверхность, а в сигнале фотолюминесценции — отсутствие линий, связанных с комплексами германия. Это обеспечивается встраиванием тонкого слоя AlAs на границе раздела AlAs/Ge, благодаря чему уменьшается взаимодиффузия атомов из-за высокой энергии связи Al — As.
На буферном слое выращивалась лазерная структура со скоростью роста 1 нм/с. Лазерная структура содержала три квантовые ямы In0.17Ga0.83As толщиной 10 нм, расположенные в волноведущем слое GaAs, ограничительные слои Al0.3Ga0.7As, буферный и контактные слои.
С применением методов фотолитографии были изготовлены микродисковые лазеры (Рис.1). На Рис. 2 представлен спектр излучения лазера с диаметром диска 31 мкм для нескольких значений тока накачки представлена при Т=300 К. Минимальная пороговая плотность тока, при которой начинается генерация стимулированного излучения, составила 28 кА/см2 при 300 К для микродиска диаметром 27 мкм. Продемонстрирована одномодовая генерация с шириной линии 35 пм.
 |
 |
| Рис. 1 | Рис. 2 Спектр излучения лазера с диаметром диска 31 мкм для нескольких значений тока накачки. На вставке — спектр излучения вблизи порога генерации |
Публикации
- N.V. Kryzhanovskaya, E.I. Moiseev, Yu.S. Polubavkina, M.V. Maximov, M.M. Kulagina, S.I. Troshkov, Yu. M. Zadiranov, A.A.Lipovskii, N.V. Baidus, A.A. Dubinov, Z.F. Krasilnik, A.V. Novikov, D.A. Pavlov, A.V. Rykov, A.A. Sushkov, D.V. Yurasov, A.E. Zhukov. Electrically pumped InGaAs/GaAs quantum well microdisk lasers directly grown on Si (100) with Ge/GaAs buffer. Optics Express, Vol. 25, N 14, pp. 16754 — 16760 (2017)
Теория однофотонного детектирования сверхпроводящей полоской
Построена теория детектора одиночных фотонов оптического и ближнего ИК диапазонов на основе низкотемпературной сверхпроводниковой полоски. Определены оптимальные значения удельного сопротивления сверхпроводника > 100 мкОм*см, тока смещения вблизи тока распаривания куперовских пар, размеров полоски, позволяющие почти на два порядка расширить динамический диапазон детекторов.
Авторы
Д.Ю. Водолазов — ИФМ РАН
Аннотация
Используя кинетические уравнения, мы изучили динамику электронов и фононов в токонесущей сверхпроводящей полоске после поглощения одного фотона инфракрасного или оптической диапазонов. Показано, что чем больше отношение Ce/Cph (Tc) (где Tc — критическая температура сверхпроводника, Ce и Cph — удельные теплоемкости электронов и фононов соответственно), тем большая доля энергии фотона переходит в электронную подсистему. Электроны становятся сильнее нагретыми и, следовательно, могут термализоваться быстрее на начальном этапе формирования горячего пятна. Время термализации τth может быть меньше чем 1 пс для сверхпроводников с Ce/Cph (Tc) >> 1 и малым коэффициентом диффузии D ~ 0.5 см2/cек, когда термализация происходит главным образом за счет электрон-фононного рассеяния электронов в относительно небольшом объеме ξ2d (ξ - длина сверхпроводящей когерентности, а d < ξ - толщина полоски). Для более длительных промежутков времени из-за диффузии, эффективная температура горячих электронов внутри горячего пятна уменьшается, размер горячей области увеличивается, сверхпроводящее состояние становится нестабильным, а нормальная область распространяется в полосе при токе, большем, чем так называемый ток детектирования. Мы нашли зависимость тока детектирования от энергии фотона, его места поглощения в полоске, ширины полоски и магнитного поле, а также сравнили полученные результаты с существующими экспериментами. Наши результаты показывают, что материалы с Ce/Cph (Tc) << 1 являются плохими кандидатами для однофотонных детекторов из-за небольшой передачи энергии фотона в электронную систему и большого τth. Мы также показали, что сверхпроводящий мостик шириной несколько микрон способен детектировать одиночный инфракрасный или оптический фотон, если его критический ток превышает 70% от тока распаривания и Ce/Cph (Tc) > 1.
Публикации
- D.Yu. Vodolazov, Single-photon detection by a dirty current-carrying superconducting strip based on the kinetic-equation approach, Physical Review Applied, 7, 034014 (2017).
Электрооптические свойства лангасита
Измерены электрооптические свойства и естественное линейное двулучепреломление лангасита (La3Ga5SiO14), лангатата (La3Ga5.5Ta0.5O14) и катангасита (Ca3TaGa3Si2O14) в диапазоне температур 115 ~ 310 К. Содержащие лантан пьезоэлектрические кристаллы имеют в 5 раз больший электрооптический коэффициент и на 1 ~ 2 порядка меньший температурный коэффициент продольного полуволнового напряжения, чем катангасит и кварц и могут рассматриваться как перспективные электрооптические материалы для датчиков напряжения в высоковольтных линиях электропередач.
Авторы
В.В. Иванов — ИФМ РАН
А.А. Степанов — ООО «АНТ систем»
В.В. Аленков, О.А. Бузанов — ОАО «Фомос-материалс"<\p>
Аннотация
Измерены электрооптические свойства и естественное линейное двупреломление лангасита (La3Ga5SiO14, ЛГС), лангатата (La3Ga5.5Ta0.5O14, ЛГТ) и катангасита (Ca3TaGa3Si2O14, КТГС) в диапазоне температур 115 ~ 310 К, а также показатели преломления КТГС при комнатной температуре на длине волны 1540 нм. Содержащие лантан ЛГС и ЛГТ имеют в 5 раз больший электрооптический коэффициент и на 1 ~ 2 порядка меньший температурный коэффициент продольного полуволнового напряжения, чем не содержащий редкоземельных ионов КТГС. Температурная зависимость естественного линейного двупреломления в ЛГС немонотонна с максимумом при 158К и температурной производной двупреломления в пределах ±3.3×10−8 1/K в диапазоне 115 ~ 172 K. Содержащие редкие земли кристаллы семейства лангасита, такие как ЛГС, могут рассматриваться как перспективные электрооптические материалы для высоковольтных оптических датчиков переменного напряжения благодаря наличию продольного электрооптического эффекта со слабой температурной зависимостью.
Публикации
- Vadim Ivanov, Anatoliy Stepanov, Vladimir Alenkov, and Oleg Buzanov. «Langasites as electro-optic materials for high-voltage optical sensors», Optical materials Express, v. 7, pp. 3366−3376 (2017)
СВЧ микроскопия полупроводниковых структур
Разработаны физические принципы сканирующего ближнепольного СВЧ микроскопа для локального анализа удельного сопротивления полупроводниковых образцов и изготовлен прототип устройства, позволяющего проводить бесконтактный микроанализ, недоступный другим неразрушающим методам. Работа микроскопа апробирована в исследованиях удельного сопротивления подложек синтетического алмаза и выращенных на них CVD методом δ-легированных эпитаксиальных слоев.
Авторы
А.Н. Резник, С.А. Королев, М.Н. Дроздов — ИФМ РАН
Аннотация
Предложена модель ближнепольной сканирующей микроволновой микроскопии (БСММ), позволяющая описывать взаимодействие зонда с произвольной плоскослоистой средой. Показано, что предложенная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными. На основе данной модели развит метод, позволяющий локальным неразрушающим способом определять параметры слоёв (толщину и комплексную диэлектрическую проницаемость) многослойных полупроводниковых структур.
Хорошая область приложения для БСММ возникает при отработке технологий производства новых полупроводниковых материалов. Одним из перспективных материалов, активно изучаемых в последние годы, является полупроводниковый алмаз. Ожидается, что предсказанные свойства алмаза, такие, как высокая подвижность носителей заряда, высокое напряжение пробоя, исключительная термическая проводимость, позволят улучшить характеристики полупроводниковых устройств мощной высокочастотной электроники.
Выполнены БСММ-исследования сопротивления Rsh дельта-легированных эпитаксиальных слоёв алмаза. Создан микроскоп диапазона ~1.4 ГГц, обладающий латеральным разрешением 50−80 мкм. Исследования проводились при размерах образцов 3x3x0.3 мм3. Некоторые подложки включали отдельные моноблоки, из-за чего выращенные структуры содержали латеральные неоднородности Rsh размером ~0.1−1 мм. Ряд подложек, как выяснилось из БСММ измерений, содержали высокоомный сектор, окруженный обширной проводящей областью, что также повлияло на распределение Rsh исследованных структур. В процессе дельта-легирования иногда выращивалось несколько разделенных по глубине монослоев с различными характеристиками. В указанных условиях БСММ позволил получить ценную достоверную информацию о распределении Rsh в плоскости поверхности исследованных структур. Достоверность подтверждена измерениями локальным четырехзондовым методом. Вместе с тем, при сильно неоднородном распределении Rsh ряд альтернативных методов исследования полупроводников (холловские измерения в геометрии ван дер Пау, вторичная ионная масс-спектрометрия) не позволили диагностировать неоднородность проводящих свойств структур, изученную с помощью БСММ. На основе проведённых исследований развита методика неразрушающего контроля проводимости и однородности полупроводниковых алмазных структур микроволновым микроскопом.
Публикации
- A.N.Reznik, S.A.Korolyov. J. Appl. Phys. v.119, 094504 (2016)
- A.N.Reznik, S.A.Koroliov, M.N.Drozdov. J. Appl. Phys. v.121, 164503 (2017)
