Физические основы технологии полупроводниковых наноструктур с заданными свойствами для устройств электроники и фотоники

В соответствии с техническим заданием и календарным планом работ на 1 этапе НИР проведен анализ путей создания фотопреобразователей, в том числе квантово-размерных, материальной системы кремний-германий. Проведены расчеты сигнальных, шумовых и пороговых характеристик фотопреобразователей на основе Si-Ge наноструктур и экспериментальные исследования характеристик фотопреобразователей на основе Si-Ge фоточувствительных структур.
Проведены патентные исследования, анализ научно-технической литературы по фотопреобразователям различных типов, включая материальную системы Si-Ge, оценены их преимущества и эффективность от внедрения в преобразователях солнечного и теплового излучения в электрическую энергию. Разработана общая методика проведения исследований фотопреобразователей.
Разработана базовая технология синтеза многослойных гетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками на основе Si-Ge наноструктур и фотопреобразователей на их основе. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии на модернизированном оборудовании для системы Si-Ge выращены лабораторные партии материала фотопреобразователей. Разработана конструкция и изготовлены лабораторные макеты фотопреобразователей на основе Si-Ge наноструктур.
Экспериментальные исследования характеристик фотопреобразователей с оптическими волноводами показали сдвиг спектра фоточувствительности в область больших длин волн по сравнению с кремниевыми фотопреобразователями, что объясняется поглощением света в многослойной структуре с квантовыми точками. Высокие значения квантовой эффективности фотопреобразователей в области длин волн 1.3-1.55 мкм достигнуты за счет большой плотности нанокластеров Ge в активной области прибора.
Определены оптимальные условия синтеза Si-Ge наноструктур с параметрами, необходимыми для изготовления фотопреобразователей. Построена диаграмма структурного и морфологического состояния пленки Ge на поверхности Si(100), включающая все известные переходы. Отработана методика формирования плотного массива нанокластеров германия с плотностью до 3×1011 см-2 и вертикальным упорядочением в многослойной эпитаксиальной структуре. Определено влияние таких параметров технологического процесса, как температура эпитаксии и скорость напыления, на плотность и размеры нанокластеров Ge, а также на распределение их по размерам и форме.
Созданная теоретическая модель формирования спектральных характеристик фотопреобразователей на основе Si-Ge наноструктур подтвердила представление о полупроводниковом материале с промежуточной зоной, обеспечивающем поглощение на больших длинах волн и более высокую эффективность преобразования солнечной и тепловой энергии. Из сравнения расчетных и экспериментальных результатов исследований проведена корректировка математической модели фотопреобразователя путем учета зависимости энергии основного состояния квантовой точки от размеров нанокластеров германия и введения распределения по размерам квантовых точек с дисперсией в широком интервале значений.
Результаты экспериментальных исследований показали перспективность предложенных технологических подходов по созданию высокоэффективных преобразователей солнечной энергии, которые будут использованы на 2 этапе НИР для оптимизации технологии изготовления наноструктур и конструкции фотопреобразователей. В теоретическом плане результаты моделирования способствовали углубленному представлению о наногетероструктурах как о материале с промежуточной зоной и возможности проведения на 2 этапе НИР оценки фундаментальных ограничений характеристик фотопреобразователей.

1 Установление связи электрических и конструктивных параметров наноструктур с пороговыми характеристиками фотопреобразователей на их основе. Проведена оптимизация параметров базовых областей р-i-п структуры, а также слоя с квантовыми точками, для достижения высоких значений квантовой эффективности фотопреобразователя.
2 Изготовлены лабораторные образцы фотопреобразователей методом молекулярно-лучевой эпитаксии на модернизированном оборудовании для материальной системы Si-Ge.
3 Проведены дополнительные экспериментальные исследования фоточувствительных Si-Ge наноструктур. Экспериментальные исследования характеристик фотопреобразователей проведены на конструкциях с оптическими волноводами для определения сдвига спектра фоточувствительности в область больших длин волн по сравнению с кремниевыми фотопреобразователями за счет поглощения света в многослойной структуре с квантовыми точками. Высокие значения квантовой эффективности фотопреобразователей в области длин волн 1.3-1.55 мкм достигнуты за счет большой плотности нанокластеров Ge в активной области прибора.
4 Проведена оптимизация технологии изготовления наноструктур и конструкции фотопреобразователей на основе гетероструктур Si-Ge. Выявлена взаимосвязь параметров технологического процесса (температура, скорость напыления) и размеров нанокластеров Ge, а также распределение их по размерам и форме. Проведена разработка базовой технологии синтеза многослойных гетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками на основе Si-Ge наноструктур и фотопреобразователей на их основе. Отработана методика формирования плотного массива нанокластеров германия с плотностью до 3×1011 - 1012 см-2 и вертикальным упорядочением в многослойной эпитаксиальной структуре.

5 Проведена оценка фундаментальных ограничений пороговых характеристик фотопреобразователей при различных рабочих температурах. Определены температурные зависимости предельной эффективности преобразования солнечной энергии от температуры фотопреобразователя в диапазоне температур 100 – 800 К.
6. Проведена разработка рекомендаций по использованию результатов НИР на основе возможности создания модулей фото- и теплофотогенераторов, энергетических систем космического базирования, а также новых приборных структур наноэлектроники и нанофотоники.
7. Сформулированы требования технического задания на разработку высокоэффективных солнечных элементов на основе полупроводниковых наноструктур материальной системы кремний-германий.