Российские ученые разработали новый материал, совместимый с кремниевой технологией для создания эффективных устройств нанофотоники

Развитие современных систем скоростной оптической связи и вычислительных систем направлено на снижение размера и энергопотребления оптических интегральных схем. Успешное решение задачи миниатюризации электроники требует разработки новых конкурентоспособных и экономически оправданных технологий их производства.

Сегодня существенная проблема, ограничивающая развитие таких систем — несовместимость материалов и технологий, применяемых для создания источников светового излучения, передающего информацию, с кремниевыми схемами регистрации и обработки сигналов. Это обстоятельство затрудняет создание систем оптоволоконной связи нового поколения, обеспечивающих повышенную скорость передачи данных. Соответственно, перед учеными стоит задача разработки новых типов полупроводниковых материалов, перспективных для внедрения в массовое производство оптоэлектронных компонентов.

Совместное исследование ученых Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» направлено на решение вышеописанной проблемы. Подробности работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Materials Today Physics. Разработки ученых поддержаны грантом РНФ (№ 20-79-10092).

«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», – рассказывает доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 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), разделённые кремниевыми барьерами», — объясняет 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 определёнными энергиями, выступает своеобразным фильтром для фотонов разной энергии», — добавляет 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», – рассказывает Дмитрий Дмитриевич Фирсов.

Подпись к фото: старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Вячеслав Алексеевич Тимофеев.