Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0044

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0044
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Название доклада
Исследование свойств гетероструктурных ННК и разработка интегральных схем на их основе
Докладчик
Сибирев Николай Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на создание интегральных устройств на основе нитевидных нанокристаллов, в том числе высокочувствительных газоанализаторов и высокоэффективных солнечных элементов.

Нитевидные нанокристаллы (ННК) – кристаллы в форме иголок или волокон, имеющие диаметр несколько десятков нанометров и большое отношение длины к диаметру (больше 10). Уникальная геометрия ННК позволяет эффективно снимать упругие напряжение, что позволяет во первых создавать бездефектные гетероструктуры даже для сильно отличающихся по параметру решетки материалов, во-вторых создавать эффективные оптоэлектронные структуры почти на любых подложках в том числе на кремнии или тканях. Это делает массивы ННК перспективными для создания высокоэффективных солнечных элементов. Большое отношение площади поверхности к объему наноструктуры делает перспективным их применение в качестве газоанализаторов и катализаторов. Целью проекта является создание нового типа приборных наноструктур на основе гетероструктурных ННК с радиальным гетеропереходом для применения в качестве газовых анализаторов и солнечных элементов.

Основными задачами проекта являются: отработка технологии создании массивов ННК с радиальных гетеропереходом в разных системах A3B5 материалов; развитие технологии создания контактов к массивам ННК; отработка технологии легирования массивов ННК; поиск оптимальной геометрии радиальных гетероструктур в ННК.
Актуальность и новизна исследования
Нитевидные нанокристаллы, или нановискеры (ННК), характеризуются поперечным размером (до 100 нм) и длиной , на порядок и более превосходящей поперечный размер. В нашем случае интерес к ННК вызван большим отношением площади ННК к его объему.

Большая площадь ННК делает их необычно чувствительным к адсорбции атомов на поверхности. А так как они механически соединены с подложкой, то исключается эффект слипания. Эти два фактора делают перспективным использование ННК в качестве катализаторов и газоанализаторов.

Перспективность использования полупроводниковых ННК для создания солнечных элементов объясняется низкой плотностью дефектов кристаллической структуры при формировании гетеростуруктур внутри них и возможностью интеграции полупроводниковых соединений A3B5 с существующими кремниевыми технологиями. Эти свойства массивов ННК должны позволить достигнуть и превзойти предел Шокли-Квайссера для кремния, так как появляется возможность изготовления на поверхности кремния многокаскадных солнечных элементов.

Основной задачей исследования является отработка технологии создания контактов к ННК, эти технологии давно отработаны за рубежом, но плохо воспроизводятся у нас. Так же планируется улучшить методики роста радиальных гетроструктур в A3B5 ННК, здесь мы являемся одними из мировых лидеров. Рост ННК заданного постоянного тройного состава. Например, при росте (Al,Ga)As ННК при постоянных потоках Al и Ga состав меняется по длине из-за различия в коэффициентах диффузии Al и Ga. Более того при росте (In,Ga)As ННК возможно формирования нановключений с составом отличающимся от среднего.
Описание исследования

   Рост ННК осуществлялся методами молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) в Академическом университет. Академический университет располагает уникальной установкой Riber 32, 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 технологический университет. Массивы A3B5 ННК будут выращиваться по механизму “Пар-Жидкость-Кристалл” самокаталитически (например Ga для GaAs ННК) или стороннего (например Au). Для создания массивов одинаковых ННК, использовались как методы на основе использования литографии сверхвысокого разрешения, так и использование коллоидных растворов золотых наночастиц, правда, в нашем случае это пока оказалось лишним. Для формирования радиальных гетероструктур в ННК во время роста снижали температуру при этом аксиальный рост ННК прекращался, и начинался радиальный рост ННК. В частности, рост (Al,Ga)As ННК проводился следующим образом. На кремниевой подложка p – типа осаждался тонкий слой золота, 90 секунд выдерживался при температуре 460 C. После этого включались источники Al, Ga, Be и As и в течении 20 минут растились ННК, высотой 1.2 мкм. В это время росли (Al,Ga)As ННК легированные Be. Затем опускали температуру до 340 С и выращивали 45 минут нелегированный слой GaAs толщиной 200 нм. После включали источник Al и 18 секунд растили слой (Al,Ga)As толщиной 5 нм. Потом на 2 мин включали источник Si и выключали источники Al, Ga и As. После опять включали на 18 секунд источники Al, Ga и As. В итоге получились структура p-i-n диода ─ ННК с радиальным гетеропереходом (Al,Ga)As:Be/GaAs/(Al,Ga)As:Si.  

   Для исследования структурных свойств ННК использовались методы сканирующей и просвечивающей микроскопии в ЦКП ФТИ им. Иоффе, в том числе высокого разрешения, и методы энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в ЦКП СПбГУ. Полученные образцы также исследовались методами фото- и электролюминесценции (ФЛ и ЭЛ, соответственно), микрофотолюминесценции и катодолюминесценции в ЦКП ИФМ РАН (Нижний Новгород). Для определения эффективности преобразования солнечной энергии будет использован имитатор солнечного света.

   Моделирование процессов роста и легирования ННК будет осуществлялось 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 обоьщенной 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.

   Нижний непрозрачный контакт к нитевидным нанокристаллам (ННК) будет создаваться через тыльную сторону подложки путем нанесения тонких слоев алюминия и золота 3 нм и 50 нм соответственно. Далее контакт отжигался в атмосфере азота при температуре 400°С . Верхний прозрачный контакт изготавливался следующим образом. Массив ННК заливался полимером SU8 или PMMA. Потом очищалась поверхность ННК в кислородной плазме (или аргоновой), так чтобы проявились вершины ННК. Затем осаждался слоя ITO толщиной 100 нм.

Результаты исследования

Были выращены (Al,Ga)As нитевидные нанокристаллы (ННК) с радиальным гетеропереходом, в том числе со структурой PIN диода (Al,Ga)As:Be p типа, обедненный GaAs, (Al,Ga)As:Si n типа. Измерены их структурные свойства методами сканирующие и просвечивающей микроскопии. Были созданы контакты к полученным структурам. измерены их электрические свойства на свету и в темноте. Правда, полученная эффективность оказалась гораздо хуже, чем для планарных структур. Хотя лучшие мировые образцы уже обогнали планарные структуры, так как ННК автофокусируют свет на гетеропереходе.

Была предложена методика расчета химических потенциалов тройных и четверных жидких растворов, в частности, Au-III-V. На основе предложенного метода была построена модель роста ННК. Были синтезированы ННК тройных соединений (Al,Ga,In)As и Ga (As,P). Построена модель роста ННК с аксиальным гетеропереходом, определенны условия, при которых ННК после изменения состава растут прямо или меняют направление.

Практическая значимость исследования
В результате проекта будут созданы или развиты методы: создания прозрачных контактов к массивам нитевидных нанокристаллов (ННК), роста ННК тройного состава, легирования массивов и роста ННК с радиальным гетеропереходом (core shell nanowires).
Методы создания прозрачных контактов к ННК необходимы, не только для солнечных элементов, но и для создания фотодетекторов и светодиодов. Светодиоды и фотодетекторы на основе ННК должны быть более эффективными, чем имеющиеся сейчас из-за высокого совершенства их кристаллической структуры.
Методы роста ННК тройного состава позволят создавать светодиоды с произвольной длины волны и откроет возможность управляемого изменения ширины запрещенной зоны (Band-gap engineering). В том числе это позволит создать однофотонный излучатель и одноэлектронный транзистор.
Технология легирования ННК облегчит создание миниатюрных транзисторов и диодов, а также устройств памяти.
Методы роста ННК с радиальным гетеропереходом позволят обойти ограничения связанные с рассогласованием решеток между кремнием и A3B5 материалами. Что позволит интегрировать кремниевую электронику с оптоэлектроникой. Так же эти методы позволят создать высокоэффективные солнечные элементы на гибких подложках. Так же это облегчит создание газанализаторов.
В случае успешной разработки всех указанных методов будет создана технология создания высокоэффективных солнечных элементов в том числе на гибких подложках.