Проблему несовместимости материалов и технологий, применяемых для создания источников передающего информацию светового излучения с кремниевыми схемами регистрации и обработки таких сигналов, решает совместное исследование ученых Института физики полупроводников (ИФП) им. А. В. Ржанова СО РАН и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ», 7 декабря сообщает издание СО РАН «Наука в Сибири».

Как рассказал доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» к. ф.-м. н. Дмитрий Фирсов, совместная команда исследователей занимается разработкой новых полупроводниковых наноструктур для для фотоприемников и излучателей инфракрасного (ИК) спектра на основе материалов IV группы периодической системы химических элементов.

Выбор именно этой базы обусловлен их принципиальной совместимостью «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».

Ученые ИФП СО РАН выбрали для формирования нового материала германий, кремний и олово (Ge, Si, Sn).

Старший научный сотрудник ИФП СО РАН к. ф.-м. н. Вячеслав Тимофеев уточнил:

«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».

Получение необходимых, удовлетворяющих современным требованиям характеристик оптических устройств требует создание новых подходов и технологий для повышения эффективности 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», — добавил Вячеслав Тимофеев.

Фотонным кристаллом называется искусственная пространственно упорядоченная наноструктура, в которой коэффициент преломления периодически меняется в масштабах, сопоставимыми с длинами волн излучения. То есть фотонный кристалл пропускает или отражает свет с определенными энергиями фотонов, выступая таким образом неким фильтром для фотонов разной энергии.

Исследования созданных в ИФП СО РАН новых полупроводниковых структур были проведены специалистами СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и результаты представлены в статье «Значительное усиление фотолюминесценции и фотоотклика благодаря фотонно-кристаллическим структурам на основе множественных квантовых ям GeSiSn/Si», опубликованной в журнале Materials Today Physics.

Для детального изучения параметров полупроводниковых материалов и возможных структурных дефектов ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ»использовали метод инфракрасной спектроскопии с помощью специального оборудования (фурье-спектрометра).

Исследования показали, что фотонно-кристаллические структуры обеспечивают многократное усиление сигнала светоизлучающих и фотоприемных структур в инфракрасном диапазоне спектра, что недоступно для существующей 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»,  — рассказал Дмитрий Фирсов.

Использование нового класса материалов Ge-Si-Sn позволит расширить рабочий спектральный диапазон устройств нанофотоники, таких как элементы интегральной фотоники, системы полностью оптической обработки информации, а также волоконно-оптических линий связи нового поколения, уверены разработчики.