НШ «Фундаментальные научные проблемы развития кремниевой оптоэлектроники и освоения терагерцового диапазона с использованием полупроводниковых наноструктур»

Руководитель

Красильник Захарий Фишелевич, доктор физ.-мат. наук, профессор, директор ИФМ РАН.

Общая информация

Год основания

1993

Характер научного исследования

Фундаментальный

Ключевые слова

молекулярно-лучевая эпитаксия, селективное легирование, сегрегация, кремниевая оптоэлектроника, эрбий, спектроскопия, наноструктуры, наноостровки, квантовые ямы, мелкие примеси, терагерцовый диапазон, циклотронный резонанс, инверсия, лазер, нанотранзистор.

Основные направления научных исследований

Кремниевая оптоэлектроника

1. Развитие технологии формирования и исследование оптических свойств низкоразмерных одно- и многопериодных гетероструктур GeSi/Si с эффективной пространственной локализацией носителей.
2. Разработка физических основ свето- и фотодиодов, кремниевой оптоэлектронной пары с использованием наногетероструктур GeSi/Si.
3. Разработка и исследование оптических свойств излучающих эпитаксиальных структур на основе Si: Er, SiGe: Er и Si: Er/SOI. Создание лазера и светодиодов на длину волны 1,54 мкм.

Освоение терагерцового диапазона

1. Примесные терагерцовые лазеры на кремнии и кремний-германиевых наноструктурах.
2. Терагерцовая спектроскопия мелких примесей и циклотронного резонанса в полупроводниковых наноструктурах с квантовыми ямами.
3. Детектирование терагерцового излучения двумерной электронной плазмой в нанометровых полевых транзисторах.
4. Теоретическое исследование неравновесных процессов в графене при оптическом возбуждении.

Основные научные результаты

Кремниевая оптоэлектроника

Предложен и реализован новый класс SiGe гетероструктур с локализованными электронными и дырочными состояниями — структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, выращенными на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях и встроенными в напряженный (растянутый) слой Si, в которых реализуется эффективная пространственная локализация носителей обоих знаков.

(Appl. Phys. Lett. 2006; ФТП 2006).

Впервые проведены исследования люминесцентных свойств структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, встроенными в напряженный Si слой. Обнаружено, что при 77К интенсивность сигнала ФЛ от Ge(Si) островков, встроенных в напряженный Si слой, на порядок выше интенсивности сигнала ФЛ от островков, выращенных на Si(001) подложках, что связывается с эффективной локализацией электронов в напряженном Si слое на гетерогранице с островком

(Appl. Phys. Lett. 2006; Semicond. Sci. and Techn. 2007).

В эпитаксиальных структурах n⁺Si/n^-Si/n^-Si:Er/n^-Si/p⁺-Si обнаружен эффект «запасённой электролюминесценции» — электрооптическое преобразование с долговременной памятью о протекании тока через p-n-переход. Предложено применение «запасённой» ЭЛ в качестве элемента памяти с оптическим выводом информации на длине волны 1,54 мкм.

(IEEE J. Selected Top. in Quant. Electronics, 2006; Appl. Phys. Lett. 2006)

Предложен и реализован новый тип диодных светоизлучающих структур на длине волны 1.5 мкм на основе эпитаксиальных кремниевых структур, легированных эрбием — диодные туннельно-пролетные структуры с ударным возбуждением ионов эрбия и расширенной областью пространственного заряда. При той же эффективности возбуждения туннельно-пролетные структуры демонстрируют более интенсивную электролюминесценцию в диапазоне, по сравнению с обычными диодными структурами с постоянным уровнем легирования базы.

(ФТТ, 2005; IEEE Journ. of Selected Topics in Quantum Electronics, 2006; ФТП, 2007).

Отработана технология эпитаксиального роста светоизлучающих структур Si: Er/Si с рекордно высокими значениями внутренней квантовой эффективности и ширинами пиков люминесценции на длине волны 1,54 мкм (менее 10 мкВ). Отработана технология эпитаксиального роста волноводных структур Si/SiGe:Er/Si с содержанием германия, достигающим 36%, и концентрацией примеси эрбия (0.7÷2)x10¹⁸ см^-3, развиты технологические подходы к созданию структур с выделенным типом центров и высоким содержанием оптически активной примеси эрбия. Достигнута инверсная населенность энергетических состояний примеси Ег при оптической накачке.

(Письма в ЖЭТФ 2005, J. Cryst. Growth, 2006).

При прямом оптическом возбуждении ионов Er (длина волны около 1.5 мкм) в эпитаксиальных структурах Si: Er обнаружено, что температурное гашение фотолюминесценции существенно подавлено по сравнению с межзонным возбуждением, и сигнал эрбиевой люминесценции наблюдается вплоть до комнатной температуры. Тем самым опровергается устоявшееся представление о доминирующей роли процесса девозбуждения путем обратной передачи энергии (back transfer) носителям в температурном гашении эрбиевой фотолюминесценции. Открывается перспектива создания эффективных излучателей на основе Si: Er на длину волны 1.5 мкм, работающих при комнатной температуре.

(Physica B, 2009)

Освоение терагерцового диапазона

Впервые созданы лазеры на кремнии в ТГц диапазоне частот, стимулированное излучения которых связано с инверсией примесных состояний доноров фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута при оптическом возбуждении.

(Phys. Rev. Lett. 2000, Appl. Phys. Lett. 2002, Semicond. Sci. & Techn.2004)

Показано, что деформация кристалла кремния выключает важный канал внутрицентровой релаксации мелких доноров, связанный с излучением междолинных f-фононов и тем самым значительно увеличивает коэффициент усиления и эффективность ТГц излучения этих центров.

(Appl. Phys. Lett. 2007)

Обнаружена генерация электромагнитных волн при вынужденном комбинационном рассеянии ИК излучения на электронных состояниях мелких доноров в кремнии (P, Sb, As, Bi). Стоксов сдвиг частоты излучения определяется разностью энергий основного 1s(A1) и возбужденного 1s(E) состояний 1s мультиплета и составляет 13,02 мэВ, 12,4мэВ, 22,44 мэВ и 40,53 мэВ для доноров P, Sb, As и Bi соответственно, отражая химический сдвиг энергии основного состояния. Показана возможность создания рамановского лазера терагерцового диапазона частот на мелких донорах в кремнии.

(Phys.Rev. Lett. 2006, Appl. Phys. Lett. 2008, 2009)

Показана возможность стимулированного излучения на примесно-зонных переходах доноров при оптической накачке структур SiGe/Si с селективным легированием квантовых ям.

(Solid State Phen. 2008)

Разработана конструкция квантово-каскадного лазера ТГц диапазона на примесно-зонных и внутрицентровых переходах в в селективно-легированных квантово-каскадных структурах GaAs/AlGaAs при гибридизации состояний кулоновских центров с континуумом соседней квантовой ямы.

(Изв. РАН. Сер. физич. 2007)

В полевых транзисторах на основе гетероструктур GaN/AlGaN, InGaAs/InAlAs GaAs/AlGaAs с двумерным электронным газом с нанометровой длиной затвора обнаружено резонансное детектирование терагерцового излучения плазменными волнами в подзатворной части канала при Т = 4.2 К. Частота отклика управляется напряжением на затворе, уменьшаясь при обеднения канала. Это открывает возможность создания узкополосного перестраиваемого приемника терагерцового диапазона.

(Appl. Phys. Lett. 2006, ФТП 2007, 2009, ФНТ 2007)

Экспериментально изучено увеличение оптической ширины запрещенной зоны в GaAs в сверхсильных магнитных полях до двух мегагаусс. Показано, что измеренное увеличение хорошо согласуется с результатами расчетов в рамках 5-зонной k-модели для AsGa с учетом экситонного поглощения и «хвостов» плотности состояний.

(ФТП 2007)

Разработан дифференциальный метод наблюдения примесного поглощения в полупроводниках. Поглощение терагерцового диапазона в полупроводнике модулируется межзонным оптическим возбуждением вследствие захвата электронов и дырок ионизованными донорами и акцепторами. Обнаружено значительное обужение линии примесного поглощения, связанное с уменьшением флуктуации потенциала благодаря захвату носителей примесями. В спектрах примесной фотопроводимости гетероструктур Ge/GeSi обнаружены линии поглощения, обусловленные фотовозбуждением очень мелких акцепторов (энергии связи менее 2 мэВ) с пространственным разделением дырки и иона примеси.

(ФТТ 2005)

Исследованы спектры циклотронного резонанса в гетероструктурах InAs/AlSb в широком диапазоне концентраций электронов в квантовых ямах InAs от 2,7×10¹¹ до 8×10¹² см^-2. Обнаружено значительное возрастание циклотронной массы от 0,03 m₀ до 0,06 m₀, что обусловлено сильной непараболичностью закона дисперсии. В сильных магнитных полях (В = 8÷40 T) в спектрах циклотронного резонанса обнаружены проявления электрон-фононного и электрон-электронного взаимодействия

(ФТП 2005, J. Low Temp. Phys.)

В спектрах примесной фотопроводимости гетероструктур с квантовыми ямами, легированными мелкими примесями, экспериментально обнаружены резонансы Фано, обусловленные взаимодействием электронов и дырок с продольными оптическими фононами. Показано, что в квантовых ямах ширина резонанса Фано определяется в основном силой взаимодействия носителей с фононами. Продемонстрирована возможность локальной диагностики характеристик оптических фононов в квантовых ямах с помощью измерений резонанса Фано в спектрах примесной фотопроводимости.

(Phys.Rev.B 2007, Письма в ЖЭТФ 2008, ФТП 2008)

В напряженных полупроводниковых структурах на основе тройных соединений GaAsN: Be/GaAs и квантовых ям p-InGaAs/GaAsP обнаружены резонансные состояния мелких акцепторов. Переходы между резонансными и локализованными состояниями проявляются в виде линий, обнаруженных с спектрах терагерцовой электролюминесценции и фотопроводимости.

(Письма ЖЭТФ 2008, APL 2007)

Обнаружена зависимость энергии переходов из основного в резонансные состояния под спин-отщепленной валентной подзоной для акцепторной примеси в кремнии от изотопного состава (²⁸Si или ³⁰Si) матрицы, обусловленная главным образом изотопическим эффектом для энергии спин-орбитального расщепления D. Получена оценка для изотопического сдвига D(³⁰Si) — D(²⁸Si) = 0.17 мэВ.

(Письма ЖЭТФ 2009, Physica B 2009).

Обнаружено проявление электрон-электронного взаимодействия в напряженных гетероструктурах р-InGaAs/GaAs с квантовыми ямами в магнитных полях свыше 20 Т, где удалось наблюдать расщепление линии циклотронного резонанса. Соотношение интенсивностей линий инвертировано по сравнению с расчетом в рамках модели Латтинжера, что указывает на обменное усиление спинового расщепления уровней Ландау.

(Phys. Rev. B 2009)

Работа на преподавательских должностях в ННГУ им. Лобачевского

Ф.И.О.	Должность	Дисциплина
Красильник З. Ф.	Зав. кафедр.	Спецкурс «Введение в спектроскопию твердого тела»
Гавриленко В. И.	Профессор	Спецкурс «Экспериментальные методы физики твердого тела»
Алешкин В. Я.	Профессор	Общ. курс «Физика полупроводников»
Шастин В. Н.	Профессор	Спецкурс «Физические основы полупроводниковых лазеров»
Новиков А. В.	Доцент	Спецкурс «Основы полупроводниковой технологии»
Козлов Д. В.	Доцент	Общ. курс «Твердотельная электроника»
Козлов В. А.	Доцент	Общ. курс «Полупроводниковая электроника»
Морозов С. В.	Доцент	Практикум по физике полупроводников
Шмагин В. Б.	Доцент	Практикум по физике полупроводников
Гавриленко Л. В.	Ст. препод.	Спецпрактикум по оптическим свойствам твердых тел
Дубинов А. А.	Ст. препод.	Практикум по твердотельной электронике
Лобанов Д. Н.	Ст. препод.	Учебно-научный эксперимент
Красильникова Л. В.	Ст. препод.	Спецпрактикум по оптическим свойствам твердых тел
Крыжков Д. И.	Ст. препод.	Спецпрактикум по оптическим свойствам твердых тел
Шалеев М. В.	Ст. препод.	Учебно-научный эксперимент
Юрасова Н. В.	Ст. препод.	Практич. занятия по классической и прикладной электродинамике
Маремьянин К. В.	Ст. препод.	Учебно-научный эксперимент
Иконников А. В.	Ст. препод.	Спецпрактикум по оптическим свойствам твердых тел

Международное сотрудничество

Беларусь, Белорусский государственный университет, 2 проекта РФФИ-БРФФИ;

Украина, Институт физики полупроводников НАН, проект РФФИ-Укр-а;

молодежный грант ИНТАС (А.В. Иконников, К. В.Маремьянин);

Нидерланды, Нидерландская научно-исследовательская организация, проект РФФИ-NWO; Германия, Институт исследований планет, Берлин, проект РФФИ-DFG;

Франция, проект РФФИ-НЦНИЛ, Группа изучения полупроводников НЦНИ (CNRS) Франции и Университета II Монпелье, совместная аспирантура (М.С. Жолудев, М. Л.Орлов),

Международное научное объединение «Полупроводниковые источники и детекторы в области терагерцовых частот»;

Франция, Университет Тулузы и Национальная лаборатория сильных магнитных полей, совместная аспирантура (С.С.Криштопенко),

Участие членов коллектива в редакционных коллегиях научных журналов, организационных комитетах научных конференций, в учебных (научно-технических) советах

Участие в редакционных коллегиях

З.Ф.Красильник — журнал «Физика и техника полупроводников»

Участие в программных и организационных комитетах международных и всероссийских конференций

З.Ф.Красильник — Международный симпозиум «Nanostructures: physics and technology» (1999-2011)

В.И.Гавриленко — XII Международная конференция по узкозонным полупроводникам (2005) З. Ф.Красильник, В. И.Гавриленко — Всероссийские совещание «Наноструктуры на основе кремния и германия» — 1998, «Нанофотоника» (1999 — 2004)

З.Ф.Красильник — Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (2005-2011)

З.Ф.Красильник — I-X Российские конференции по физике полупроводников (1993-2011) В. И.Гавриленко — I, VI-VIII Российские конференции по физике полупроводников (1993, 2003-2007)

З.Ф.Красильник — I-XIII Всероссийские молодежные конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике -(1999-2011) З. Ф.Красильник — V Международная конференция «Кремний -2008» (2008)

З.Ф.Красильник — Совещание «Актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники» (2008)

Участие в ученых и специализированных советах

З.Ф. Красильник, В. И.Гавриленко, В. Я.Алешкин, В. Н.Шастин, Б. А.Андреев — Ученый совет Института физики микроструктур РАН

З.Ф. Красильник, В. И.Гавриленко — Ученый совет Высшей школы общей и прикладной физики ННГУ

З.Ф. Красильник — Ученый совет радиофизического факультета ННГУ

З.Ф. Красильник, В. И.Гавриленко, В. Я.Алешкин, В. Н.Шастин — Специализированный совет Д002.098.01 в Институте физики микроструктур РАН

З.Ф. Красильник, В. И.Гавриленко, В. Н.Шастин — Специализированный совет Д.212.166.01 при ННГУ

З.Ф.Красильник — Научный совет РАН по проблеме «Физика полупроводников»