Регистрация / Вход
Прислать материал

Инфракрасная и терагерцовая спектроскопия с временным разрешением неравновесной динамики носителей заряда в полупроводниках с использованием излучения лазеров на свободных электронах

Номер контракта: 14.616.21.0008

Руководитель: Шастин Валерий Николаевич

Должность руководителя: руководитель (заведующий

Докладчик: Ковалевский Константин Андреевич, научный сотрудник

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
лазер на свободных электронах, кремний, германий, мелкие примесные центры, лазерное излучение, нейтронное трансмутационное легирование

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. В ходе выполнения проекта должен быть решен целый ряд научно-технических и научных задач. Среди научно-технических задач в порядке следования следует отметить: 1) выбор оптимальной конфигурации и в частности оптической схемы установки для измерения быстро протекающих процессов методом пробного импульса на ЛСЭ в г. Новосибирск. При этом будет учитываться опыт работы подобной установки на ЛСЭ в г. Дрезден и приниматься во внимание специфика характеристик такого лазера в г. Новосибирск. 2) создание прототипа установки и проведение низкотемпературных (5 К) пробных измерений темпа рекомбинации и релаксации доноров сурьмы в кристаллическом германии. 3) Автоматизация сбора (записи) данных измерений. С самого начала проекта будет проводиться работа по подготовки образцов для измерений. Речь идет об образцах германия, кремния и многослойных структур с квантовыми ямами (в том числе и с селективным легированием) на основе кремния и германия. В этой части ставятся следующие задачи: 1) провести нейтронное легирование образцов объемного германия галлием и кремния фосфором методом ядерной трансмутации на источнике тепловых нейтронов в научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова (филиал в г. Обнинск). 2) выполнить измерения спектров пропускания перечисленных образцов. Тем самым будут идентифицирован тип основной легирующей примеси и дана оценка ее концентрации, определены ширины линий поглощения и т.д. Измерения будут выполняться на Фурье спектрометре при гелиевой температуре. 3) используя метод молекулярно пучковой эпитаксии вырастить многослойные наноструктуры на основе кремния и германия с селективно легированными акцепторами бора квантовыми ямами. На первом этапе для оценки качества таких структур будет проведена рентгеновская дифрактометрия. Далее методом масс спектроскопии вторичных ионов будут определен состав выращенных слоев. Затем предполагается измерить вольт-амперные характеристики и спектр поглощения на внутризонных переходах в условиях криогенных температур. Среди научных задач следует отметить: 1) проведение измерений временной динамики релаксации неравновесных состояний доноров и акцепторов в недеформированном германии методом пробного импульса. 2) проведение измерений временной динамики релаксации неравновесных состояний доноров и акцепторов в одноосно деформированном германии. 3) на основе измерений дать оценку возможности использования германия легированного галлием в качестве быстрого (с субнаносекундным разрешением) и достаточно чувствительного детектора в широком диапазоне частот (2-10ТГц) электромагнитного излучения. Такой детектор планируется испытать и далее использовать при измерениях на ЛСЭ в Новосибирске и Дрездене. 4) проведение измерений временной динамики релаксации неравновесных состояний мелких доноров и акцепторов в одноосно деформированном кремнии. 5) изучение эффектов комбинационного рассеяния света донорами и акцепторами кремния на ЛСЭ в г. Дрезден. 6) обнаружение и исследование эффекта сильного поля, т.е. влияние излучения лазера на свободных электронах на локализованные состояния доноров и (или) акцепторов в кремнии. Предполагается, что с помощью Фурье спектрометра будет измеряться спектр поглощения на внутрицентровых переходах с основного состояния центра (серия Лаймана) в зависимости от интенсивности излучения ЛСЭ. В ходе проекта будут проводиться различные расчеты, которые касаются энергетического спектра электронных состояний и темпов их релаксации (распада) при излучении фононов для доноров и акцепторов в кремнии, германии и структур на их основе. За эту часть проекта отвечает ИФМ РАН. Формулировка цели реализуемого проекта. Важной целью проекта является запуск экспериментальной установки для измерений быстро протекающих (с временами до 20-100 пикосекунд) процессов методом пробного импульса на лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) в г. Новосибирск. Подобная установка (с разрешением до 5-10 пикосекунд) успешно эксплуатируется на ЛСЭ (Дрезден) и опыт совместных научных исследований с немецкой стороной поможет в достижении указанной цели. Это предоставит научно-исследовательских группам в России новое средство проведения исследований сильно неравновесных электронных состояний в полупроводниках, полупроводниковых структурах и других средах. Максимально возможное временное разрешение ограничивается длительностью импульса ЛСЭ и разрешение, которое можно получить на ЛСЭ в Новосибирске по нашим оценкам достаточно для измерений темпа релаксации доноров и акцепторов в кристалле германия. Другая цель, которая преследуется в ходе проведения совместных измерений на упомянутых лазерах на свободных электронах – разработка и внедрение достаточно быстрого (с разрешением менее наносекунды) фотоприемника терагерцового излучения на базе кристалла германия легированного мелкими донорами и (или) акцепторами. Такой фотоприемник мог бы использоваться не только для измерений методом пробного импульса, но и других временных измерениях как на отмеченных выше ЛСЭ, так и других подобных источниках импульсного инфракрасного излучения. Важной составляющей совместных исследований будет измерение зависимости времен релаксации доноров и акцепторов в кремнии и германии от величины и направления одноосной деформации сжатия кристалла. Конечной целью является понимание процессов и механизмов влияния такой деформации кристалла на процессы низкотемпературной релаксации оптически возбуждаемых примесных центров с излучением фононов. Еще одной целью проекта является развитие нелинейной спектроскопии временного разрешения терагерцового диапазона частот при накачке электронных состояний в полупроводниках и полупроводниковых структурах лазером на свободных электронах.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Установка по измерению временной динамики релаксационных процессов с временным разрешением до 100 пикосекунд на базе Лазера на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ).
2. Результаты теоретических расчетов времен релаксации возбужденных состояний мелких примесей в кремнии и германии при взаимодействии с фононами.
3. Программы и методики экспериментальных исследований.
4. Рабочая станция для экспериментов по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Рамановская спектроскопия) на базе лазера свободных электронах в Центре Гельмгольца в г. Дрезден (HZDR, FELBE).
5. Установка для неравновесной спектроскопии, в которой узкополосное терагерцовое излучение лазера на свободных электронах используется в качестве накачки, а в качестве зондирующего излучения используется широкополосное излучение внутреннего источника Фурье спектрометра. Установка будет создана в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
6. Рабочая станция для неравновесной спектроскопии, в которой узкополосное терагерцовое излучение лазера на свободных электронах используется в качестве накачки, а качестве зондирующего излучения используется широкополосный сигнал короткой длительности (времяразрешенная терагерцовая спектроскопия) на базе Центра Гельмгольца (HZDR, FELBE).
7. Результаты измерений релаксационных процессов в легированных полупроводниках при одноосной деформации кристаллов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.

I) Установка по измерению быстропротекающих процессов методом пробного импульса строится на базе единственного в России лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Это предоставит научно-исследовательских группам в России новое средство проведения исследований сильно неравновесных электронных состояний в полупроводниках, полупроводниковых структурах и других средах. Установка позволит производить измерения времен релаксации с пикосекундной точностью.
II) Быстродействующий (10 ГГц) терагерцововый приемник на основе легированного германия.
III) Модуль давления для проведения измерений в условиях одноосной деформации кристаллов и данные о временах релаксации в таких средах, полученные в рамках проекта. Величины давления, достижимые выбранным способом, достигают единиц килобар.
IV) Рабочие станции в центре Дрезден-Россендорф, позволяющие проведение неравновесной/нелинейной и рамановской спектроскопии с использованием излучения ЛСЭ и результаты, полученные с их помощью.
Все упомянутые "продукты" позволят значительно повысить информативность экспериментальных исследований в России и Германии.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.

При решении задач применяются различные научные и технические (технологические) решения, как уже отработанные, так и новые.
В числе новых/оригинальных решений можно измерительную аппаратуру для установки по измерению времен релаксации методом пробного импульса при работе с коротко импульсным излучением мощного лазера на свободных электронах в Новосибирске (НовоФэл). В основе лежит принцип синхронного детектирования, адаптированный к имеющемуся источнику. Среди новых решений можно назвать применение одноосной деформации с целью контроля релаксационных времен в примесных полупроводниках и создание соответствующего модуля давления.
Среди отработанных и успешно примененных в ходе проекта следует отметить метод нейтронного легирования полупроводников, методы вторично-ионной масс-спектроскопии, оптической спектроскопии, рентгеновской диффрактометрии, метод пробного импульса, метод роста кремния "с пьедестала", а также теоретические методы: расчет времен релаксации методом возмущений первого порядка, метод балансных уравнений.

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

Параметры создаваемой установки по измерению времен методом пробного импульса соответствуют мировому уровню.
Параметры полученных образцов соответствуют мировому уровню. что обусловлено их получением в признанных в мире коллективах по росту и легированию.
Полученное к данному моменту быстродействие детектора на основе сильно легированного германия с компенсацией на порядок превышает быстродействие всех известных германиевых детекторов в терагерцовом диапазоне частот.

4.Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.

С точки зрения создания новых установок основные пути и способы являются устоявшимися и опробованными в мире, за исключением специфики, обусловленной применением излучения лазеров на свободных электронах, имеющих определенные мощностные и временные/спектральные особенности. Ограничения на пути достижения заявленных результатов определяются техническими параметрами ЛСЭ, которые являются достаточно сложным наукоемким продуктом. Основным гипотетическим риском в данном случае является уход государства из сферы высоких технологий и науки, так как во всем мире подобные объекты (ЛСЭ) находятся на финансировании государства.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).

Среди областей применения результатов проекта можно выделить развитие научно-технической инфраструктуры диагностики различных материалов.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.

Результаты проекта могут быть использованы различными научными коллективами, которые в последствии будут пользоваться созданными в рамках настоящего проекта рабочими станциями по измерению быстротекущих релаксационных процессов в различных средах методом пробного импульса, а так же различным спектроскопическим установкам, на базе лазеров на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН) и Центре Гельмголца (HZDR, FELBE). Так же результаты полезны для развития источников стимулированного излучения на внутрицентровых переходах в мелких примесях в полупроводниках IV группы и быстрых широкополосных детекторов инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазона частот на основе кристаллического германия, легированного мелкими примесями.
Потребителями ожидаемых результатов могут являться: пользователи Новосибирского ЛСЭ (ЦКП "Сибирский Центр Синхротронного и Терагерцового Излучения") и научные коллективы, ведущие исследования по близким направлениям

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.

Планируемые результаты в части создания новых научных установок позволят выйти на новый уровень получения научных знаний. Применение метода пробного импульса позволит анализировать временные отклики различных видов материй в терагерцовом диапазоне частот, что позволит улучшить степень понимания внутренних процессов конкретной среды.

4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.

Так как результаты проекта будут достигнуты/достигнуты в тесном сотрудничестве с немецкими институтами, то следует ожидать более интенсивный обмен знаниями, что и наблюдается на данном этапе. Система популяризации результатов проекта среди студентов, школьников позволит повысить интерес к науке и технике, и позволит привлечь интерес молодежи к науке и технике.

Текущие результаты проекта:
Результаты, полученные Российскими участниками проекта:
1. Выбрана оптимальная конфигурация строящейся на базе Новосибирского ЛСЭ станции по измерению быстропротекающих процессов методом пробного импульса. Собрана оптическая схема этой установки, написана программа управления сбором и записью данных измерений, проведены тестовые измерения.
2. Разработаны технологические условия и проведено нейтронное легирование образцов кремния и германия. Проведена спектроскопия поглощения этих образцов с целью уточнения спектра примесных состояний и оценки качества.
3. Разработаны технологические условия и выращены наноструктуры на основе кремния и германия с легированными мелкими примесными центрами слоями методом молекулярно пучковой эпитаксии. Проведены рентгеновская дифрактометрия этих структур и масс спектроскопия вторичных ионов с целью определения состава выращенных слоев.
4. Проведены теоретические оценки темпов безызлучательного распада возбужденных состояний мелких примесных центров в кристалле кремния и германия.
5. Создан низкотемпературный модуль давления для строящейся станции в Новосибирске.
6. Проведено измерений временной динамики релаксации неравновесных состояний мелких доноров и акцепторов в одноосно деформированном кремнии.
7. Проведены патентные исследования.

Результаты, полученные иностранным партнером:
1. Разработаны конфигурации установок по Рамановской и нелинейной спектроскопии, строящиеся на базе ЛСЭ "FELBE" в Дрездене-Россендорф. В настоящее время проводятся тестовые измерения.
2. Изготовлены исследуемые образцы (легированные мелкими донорами и акцепторами кристаллы кремния и германия), а так же изготовлены и проведена необходимая обработка образцов кристаллического германия, на основе которого будут изготовлены приемники ТГц излучения, которые будут использованы на лазерах на свободных электронах в Новосибирске и Дрездене.
3. Проведены работы по обнаружению и исследованию эффекта сильного поля, т.е. влияние излучения лазера на свободных электронах (ЛСЭ) на локализованные состояния доноров и (или) акцепторов в кремнии с использованием лазера на свободных электронах в г. Дрезден-Россендорфе.
4. Проведены работы по исследованию эффектов комбинационного рассеяния света на состояниях примесных центров (Рамановская спектроскопия).