Российские ученые разработали новый материал для устройств нанофотоники

Совместное исследование ученых Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» направлено на решение проблемы несовместимости материалов и технологий, которые применяются для создания источников светового излучения, передающего информацию, с кремниевыми схемами регистрации и обработки сигналов. Подробности работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Materials Today Physics.

«Мы работаем над созданием новых полупроводниковых наноструктур на базе материалов IV группы для фотоприемников и излучателей ИК-спектра. Их особенностью является принципиальная совместимость с современной технологией массового производства электронных компонентов на основе кремния. Такая совместимость достигается благодаря использованию для создания наноструктур германия и олова — химических элементов из той же группы таблицы Менделеева, что и кремний», — рассказал доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» кандидат физико-математических наук Дмитрий Дмитриевич Фирсов.

Получением нового материала на основе германий-кремний-олова (Ge-Si-Sn) занимались ученые ИФП СО РАН. «Методом молекулярно-лучевой эпитаксии мы сформировали гетероструктуры в основе которых лежит недорогая кремниевая подложка. На ней были выращены кристаллические слои материалов, состоящих сразу из нескольких химических элементов: кремния, германия и олова (Ge-Si-Sn), разделенные кремниевыми барьерами», — пояснил старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Вячеслав Алексеевич Тимофеев.

Для достижения характеристик устройств, удовлетворяющих современным требованиям, необходимо создание новых подходов и технологий, которые повысят эффективность взаимодействия света с веществом.  

«Перспективное решение этой проблемы — интеграция новых материалов на основе Ge-Si-Sn с искусственными электромагнитными средами. С этой целью мы разработали фотонные кристаллы, представляющие собой периодически расположенные массивы цилиндрических отверстий, сопряженных с гетероструктурами GeSiSn/Si. Массив цилиндрических отверстий формировался методом электронно-лучевой литографии. Фотонный кристалл — это искусственно созданная, пространственно упорядоченная среда, в которой коэффициент преломления меняется в масштабах, сопоставимыми с длинами волн излучения. Другими словами, фотонный кристалл пропускает или отражает фотоны с определенными энергиями, выступает своеобразным фильтром для фотонов разной энергии», — добавил Вячеслав Тимофеев.

Полученные наноструктуры передали в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» для детального изучения параметров полупроводниковых материалов и возможных структурных дефектов. В измерениях использовался метод инфракрасной спектроскопии с помощью специального оборудования (фурье-спектрометра). Применение фотонно-кристаллических структур позволило многократно усилить сигнал светоизлучающих и фотоприемных структур в инфракрасном диапазоне спектра, недоступном для традиционной кремниевой оптоэлектроники. 

«На данном этапе нашей работы мы получили структуры на основе Ge-Si-Sn перспективные для создания фотоприемников и источников излучения в коротковолновом инфракрасном диапазоне (1-3 мкм). Сейчас мы ведем разработку макетов устройств на их основе. Благодаря новому классу материалов Ge-Si-Sn будет расширен рабочий спектральный диапазон устройств нанофотоники, в том числе элементов интегральной фотоники, систем полностью оптической обработки информации и волоконно-оптических линий связи нового поколения», — рассказал Дмитрий Фирсов.

Исследование поддержано грантом РНФ (№ 20-79-10092).

Пресс-служба ИФП СО РАН 

Пресс-служба СПбГЭТУ «ЛЭТИ»