Во всем мире сегодня увеличивается интерес к фотонным интегральным схемам — чипам, содержащим одновременно электронные и оптические компоненты, способные принять световой сигнал, обработать его и транслировать дальше. Так возрастает скорость управления информацией и снижаются тепловые потери. Однако существенное продвижение таких оптоэлектронных устройств сдерживается несовместимостью в производстве широко распространенных кремниевых микросхем и материалов, отвечающих за взаимодействие со светом.
Новая молодежная лаборатория Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН займется развитием технологии формирования полупроводникового материала на основе германия, кремния и олова для решения проблемы интеграции на едином кремниевом кристалле всего комплекса устройств оптоэлектроники и современной микроэлектроники. Подразделение создано в рамках национального проекта «Наука и университеты» и было отобрано по итогам конкурса Минобрнауки России.
«Основная цель нашей молодежной лаборатории заключается в создании и развитии физико-технологических основ формирования многослойных гетероэпитаксиальных структур на основе соединений IV группы (германий — кремний — олово)», — поясняет заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур на основе элементов IV группы ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Вячеслав Алексеевич Тимофеев.
Гетероэпитаксиальные структуры — сложные многослойные композиции, где элементы укладываются с точностью до атома, а толщина слоев может составлять несколько нанометров.
«Исследования материалов IV группы показывают, что все компоненты оптической интегральной схемы, такие как источники и приемники излучения, модуляторы и другие, могут быть созданы на базе гетероструктур германий — кремний — олово на кремниевой или германиевой подложке, совместимых с современной кремниевой технологией. Добавление олова в матрицу германий — кремний приводит к увеличению показателя поглощения и контролируемому изменению энергетического спектра. Это позволяет создавать светоизлучающие и фотоприемные устройства, работающие в более длинноволновом, по сравнению с исходным материалом, инфракрасном диапазоне», — продолжает ученый.
Именно инфракрасный свет используется в телекоммуникациях: рабочие длины волн, на которых происходит передача информации в оптоволокне, находятся в ИК-диапазоне. От характеристик энергетического спектра полупроводникового материала зависят его светоизлучающие и поглощающие свойства — то, насколько эффективно он сможет преобразовать электрический ток в свет, и наоборот.
«Соединения германий — кремний — олово могут иметь прямую запрещенную зону при определенных составах и деформациях, что открывает возможность создания эффективных фотоприемных и светоизлучающих устройств, работающих в коротковолновом и среднем инфракрасном диапазоне. Подобные устройства перспективны для создания систем интегральной фотоники, оптической обработки информации, волоконно-оптических линий связи нового поколения, газовых и биологических сенсоров, использования в области биомедицинской диагностики и дистанционном зондировании, тепловидении», — отмечает Вячеслав Тимофеев.
У сотрудников молодежной лаборатории большой опыт создания полупроводниковых структур на базе материалов IV группы методом молекулярно-лучевой эпитаксии. По этой тематике исследователи успешно выполнили несколько проектов Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда. Вячеслав Тимофеев руководит действующим проектом РНФ, посвященным фотонно-кристаллическим, плазмонным и гибридным структурам, сопряженным со слоями на основе материалов германий — кремний — олово.
«Ранее мы решали проблемы роста соединений германий — кремний — олово, связанные с сегрегацией и преципитацией олова. Последние приводят к формированию покрытий олова на поверхности и включений олова в объеме. Чтобы избежать этого, мы разработали новые подходы. Помимо этого, наша научная группа создала образцы фотоприемных структур. В рамках исследовательской деятельности новой лаборатории стоит более глобальная задача — создание макетов фотоприемных и светоизлучающих структур, работающих в коротковолновом и среднем инфракрасных диапазонах», — резюмирует заведующий лабораторией.
«Технологи и разработчики элементной базы будущей электроники стремятся создать прямозонную структуру кремния и германия. Одни используют введение большого числа дефектов (дислокаций), другие — квантовые точки, третьи — асимметричные деформации или встраивание в кристаллическую решетку чужеродных атомов. Последнюю задачу попытается решить амбициозный молодой ученый, талантливый организатор и перспективный лидер — кандидат физико-математических наук Вячеслав Алексеевич Тимофеев. Сломать существующую парадигму и совершить рывок в полупроводниковом материаловедении — девиз руководителя молодежной лаборатории», — подчеркивает директор ИФП СО РАН академик Александр Васильевич Латышев.
Пресс-служба ИФП СО РАН
