Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование свойств гетероструктурных ННК и разработка интегральных схем на их основе

Номер контракта: 14.613.21.0044

Руководитель: Сибирев Николай Владимирович

Должность: ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
радиальные гетеропереходы, нитевидные нанокристаллы, a3b5, арсениды третьей группы, нитриды третьей группы, солнечные элементы, газовые анализаторы

Цель проекта:
Главной задачей проекта будет разработка методов получения массивов нитевидных нанокристаллов с радиальным гетеропереходом и их интеграция с имеющимися кремниевыми технологиями. Основной целью проекта является создание новых устройств нано и оптоэлектроники на основе нитевидных нанокристаллов с радиальными гетеропереходами.

Основные планируемые результаты проекта:
Методики создания одиночных нитевидных нанокристаллов (ННК) и их массивов с радиальным гетеропереходом, методами молекулярно-пучковой эпитаксии и газофазного осаждения. Разработка методов легирования и управления составом в ННК с радиальным гетеропереходом. В ходе выполнения работ будут получены массивы ННК GaAs, InAs, и (Al,Ga)As диаметром от 30 до 200 нм и аспектным отношением больше 10. Будет изготовлен прототип солнечного элемента на основе AlGaAs/GaAs/AlGaAs ННК с радиальным гетеропереходом.
Теоретическое описание процессов роста радиальных гетероструктур в ННК. Описание будет учитывать упругие напряжения на границе гетерострукутры и влияния материалов внешнего катализатора. Построенное описание должно позволять рассчитывать свойства полученных массивов ННК в зависимости от условий роста.








Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В рамках предлагаемого проекта планируется решение следующих задач:
• Развитие теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования III-V и III-N полупроводниковых нитевидных нанокристаллов (ННК) и гетероструктур на их основе по механизмам «пар-жидкость-кристалл» и «пар-кристалл» (для самоиндуцированных ННК).
• Исследования механизмов релаксации упругих напряжений в гетероструктурных ННК и методов, позволяющих радикально уменьшить количество структурных дефектов в оптически активной области.
• Исследование оптоэлектронных свойств нитевидных нанокристаллов.
• Создание функциональных приборных структур на основе III-V полупроводников (в том числе, интегрированных с кремнием) для солнечных элементов и наносенсоров.

Новизна проекта состоит в том, что для создания газоанализаторов и солнечных элементов предполагается использовать ННК с радиальным гетеропереходом. В создаваемых в Европе и США солнечных элементах, используется либо другая геометрия ННК с аксиальным гетеропереходом либо вместо одного из гетеропереходов используется гомопереход например GaAsSb-p/GaAs/GaAs-n. Наиболее близким аналогом подобных структур в России являются устройства на основе колончатых наноструктур, полученных травления. Однако для колончатых наноструктур намного сложнее получить радиальный гетеропереход. ННК обладают более качественной кристаллической структурой.

Для решения поставленных задач будут использоваться следующие методы:
• Рост ННК будет осуществляться методами молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Академический университет располагает уникальной установкой Riber compact 21, позволяющей выращивать практически все типы III V соединений. Установка оснащена источниками азота, фосфора, мышьяка, сурьмы, алюминия, галлия и индия. Рост нитридных ННК будет осуществляться методом газофазного осаждения в Даляньском технологическом университете.
• Для создания массивов одинаковых ННК, планируется использовать литографию сверхвысокого разрешения и растворы коллоидных
золотых наночастиц.
• Формирование коаксиальных ННК, будет произведено путем изменение температуры роста. При этом также планируется отработка методик, связанных с полным заращиванием массивов ННК, полупроводниковым слоем с другим типом проводимости для формирования p-n переходов.
• Для исследования структурных свойств ННК будут использоваться методы сканирующей и просвечивающей микроскопии, в том числе высокого разрешения. Некоторые образцы будут позже исследованы методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в центре коллективного пользования СПбГУ. При необходимости возможно использование методов атомно силовой микроскопии.
• Моделирование процессов роста и легирования ННК будет осуществляться на основе модели необратимого роста тройных соединений из тройных (Ga-P-As) и четверных (Au-Ga-In-As) жидких растворов при росте по механизму "пар-жидкость-кристалл". Для определения скорости процессов кристаллизации будут проведены вычисления химических потенциалах тройных и четверных растворов на основе обобщенной модели Stringfellow. Замыкание уравнений будет проводится на основе транспортных уравнений типа "диффузия плюс реакции" с учетом поверхностной дифффузии адатомов III группы и десорбции элементов V группы. Исследования процессов релаксации упругих напряжений будет проводится на основе макроскопической теории упругости. При необходимости будут использоваться методы Монте Карло моделирования и молекулярной динамики.
• Для изучения транспортных свойств одиночных ННК планируется использовать разработанную авторами проекта методику формирования омических контактов на основе использования электронно-лучевой литографии сверхвысокого разрешения, а также диэлектрофореза.
• Оптические свойства структур будут исследованы с помощью методов фотолюминесценции (ФЛ), микрофотолюминесценции и катодолюминесценции, а также ФЛ с временным разрешением, локальной спектроскопии ближнего поля (СБП).
• Для создания прототипов солнечных элементов будут применяться следующие постростовые технологии: оптическая лазерная литография, оптическая фотолитография по шаблону, электронная литография, напыление металлических и диэлектрических покрытий. Для определения эффективности преобразования солнечной энергии будет использован имитатор солнечного света.
• Прототип газоанализатора планируется создать на основе схемы полевого транзистора. Предварительно выращенные ННК будут удаляться с исходной подложки и переносится кремний, где методами электронной или оптической литографии, к ним будут подсоединены контакты. В зависимости от окружающего газа проводимость ННК будет меняться, что позволит определить состав атмосферы окружающей ННК.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
- Создание новых функциональных наноматериалов с уникальными свойствами. В данном проекте будут исследоваться гетероструктуры нового типа - радиальные гетероструктуры в одиночных нитевидных нанокристаллах (ННК). Основными преимуществами данных структур являются: более эффективная релаксации упругих напряжений и сильная зависимость свойств ННК от состоянию поверхности.

- Наноструктуры на основе ННК, имеющие огромные аспектные соотношения, развитую боковую поверхность и в то же время малую площадь контакта с рассогласованной подложкой (например, кремния), позволяют полностью устранить основное препятствие на пути интеграции опто- и микроэлектронике на едином чипе – образование дислокаций несоответствия. Одновременно большая площадь поверхности делает свойства ННК сильно зависящими от свойств окружающей среды. Это позволяет надеяться на включение ННК в состав, имеющихся интегральных схем, в качестве химических и газовых анализаторов.

- Особенности геометрии массивов ННК приводят к тому, что они практически полностью поглощают падающий на них свет, и одновременно позволяют выращивать их практически на любых подложках. Первое повышает эффективность поглощения солнечного света массивами ННК по сравнению с объёмными аналогами. Второе снижает расход дефицитных материалов. Вместе эти качества делают ННК перспективными для создания солнечных элементов.

- В случае создание высокочуствительных газоанализаторов на основе ННК они могут найти применение в авиационной и химической промышленности. Во всех областях где требуется отслеживание постоянной инертной атмосферы и любое появление примесей является угрозой взрыва.

- Выполнение проекта укрепит связи между Академическим Университетом и Дальньским Технологическим Университетом и как следствие укрепит взаимодействии двух крупнейших континентальных держав Евразии России и Китая. В ходе выполнения проекта планируется участие в различных международных конференциях Nanowire Growth Workshop, International conference on MBE, International Conference on Crystal Growth and Epitaxy, что позволит наладить новые контакты за рубежом. Результаты выполнения проекта будут представлены на различных конференцих и школах конференциях в России: Laser Optics (Санкт-Петербург), «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород), что будет способствовать популяризации науки в России. В ходе выполнения проекта будут опубликованы статьи в ведущих зарубежных журналах, что укрепит престиж российской науки.

Текущие результаты проекта:
Заключенно соглашение о сотрудничестве с Даляньским технологическим университетом (大连理工大学).

Отработана технология получения массивов нитевидных нанокристаллов (ННК) GaAs, InAs и GaN. Получены первые образцы с AlGaAs/GaAs ННК с радиальной гетероструктурой. Отработана технология легирования ННК кремнием (p-тип) и бериллием (p-тип). Проведены исследования зависимости формы ННК от условий роста.

Предложен метод расчета хим потенциалов элементов в четверном растворе. Созданы самосогласованные модели роста каталитических, самокаталитических и самоиндуцированных ННК.