НИФТИ ННГУ приглашает Вас принять участие в работе VII Всероссийской конференции и школы молодых ученых и специалистов «Физические и физико–химические основы ионной имплантации», которая состоится с 7 по 9 ноября 2018 года в Нижегородском государственном университете имени Н.И. Лобачевского (ННГУ).

Читать далее
10.06.2018

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2014-2016 гг. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Читать далее
16.11.2016

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2014-2016 гг. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

 

Читать далее
16.11.2016

17 июня 2016 г. (пятница) в 16:20 в конференц-зале НИФТИ ННГУ состоится расширенный семинар отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ и кафедры физического материаловедения ННГУ по материалам диссертации Малова В.С. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Приглашаются все желающие!

Читать далее
16.06.2016

Обновлены сведения о ходе выполнения проектов в 2015 г. в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Читать далее
26.04.2016

Эпитаксия кремния, германия и сплавов кремния-германия

 

1. Выращивание и легирование многослойных структур типа Si:Er/Si и GexSi1‑x/Si методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии

2. Физические и технологические основы создания СВЧ-, КВЧ- и оптоэлектронных полупроводниковых элементов и устройств на основе многослойных субмикронных Si- структур

3. Взаимодействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ-диапазона с биологическими средами, а также с организмами человека и животных.

4. Разработка методов молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания многослойных полупроводниковых структур на основе кремния, германия и твердого раствора кремний-германий

 5. Разработка методов эпитаксиального выращивания гетероструктур со слоями германия на Si(100); слоями твердого раствора кремний-германий, как на кремниевой так и на диэлектрической (сапфир) подложках для микро- и оптоэлектроники

 

1. Выращивание и легирование многослойных структур типа Si:Er/Si и GexSi1‑x/Si методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники

С середины 1990-х гг. за рубежом и в России активно ведутся исследования многослойных монокристаллических структур кремния, включающих слои легированные эрбием. Известно, что в таких структурах наблюдаются эффекты электро- и фотолюминесценции на длине волны 1,54 мкм, соответствующей минимуму поглощения в современных оптоволоконных линиях связи. Указанные эффекты обусловлены излучательными переходами электронов в 4f- оболочке иона эрбия (Er3+). В связи с этим линия излучения является достаточно узкой по частоте, а частота излучения, в свою очередь, практически независимой от температуры окружающей среды. Такие свойства структур кремния легированных эрбием делают их весьма перспективными для создания на их основе по кремниевой технологии (что очень важно!) активных элементов оптоэлетроники (светодиодов, оптических усилителей и лазеров) с указанной ранее длиной волны.

Известно, что при легировании слоев кремния эрбием в них возникают электрически и оптически активные центры эрбия, интенсивность излучения которых определяется наличием в них кроме эрбия других примесей, например, кислорода, углерода, азота и т.д. То есть излучательные свойства структур могут сильно изменяться в зависимости от технологии их получения.

Наиболее заметные успехи в области повышения интенсивности излучения в настоящее время достигнуты с применением технологии сублимацонной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ). Заметим, что технология СМЛЭ кремния была впервые предложена в 60 годах 20 века сотрудниками отдела физики полупроводников ГИФТИ В.В.Постниковым и В.А.Толомасовым. Такая технология позволяет производить в широких пределах легирование слоев кремния в процессе их выращивания. Источниками кремния и легирующих примесей являются бруски кремния, содержащие соответствующие примеси, и разогретые до температуры испарения кремния (близкой к температуре плавления). Концентрация примесей в растущем слое определяется (в основном) температурой подложки и плотностью потока примесей из источника. В настоящее время эта методика достаточно хорошо проработана и позволяет выращивать слои кремния различного типа проводимости с толщинами от едениц монослоев до десяти и более микрометров с уровнем легирования от 1013 до 1020см-3.

Основная задача для структур кремния со слоями, легированными эрбием, заключалась в определении параметров структур и условий их реализации, обеспечивающих максимальную интенсивность электролюминесценции на длине волны 1,54 мкм. Сложность этой задачи заключается, в первую очередь, в отсутствии достаточно проработанной теории электролюминесценции для данного объекта, что требует большого объема экспериментальных исследований.

За последние годы в НИФТИ ННГУ были выполнены исследования зависимости интенсивности электролюминесценции от концентрации эрбия, мелких донорных и акцепторных примесей, профиля легирования активного слоя и его толщины для диодных структур p+/n-Si:Er/n+-типа. Определены условия и сформулированы рекомендации по достижению интенсивности электролюминесценции заметно превышающей уровень зарубежных достижений. Сформулирована новая феноменологическая модель процессов электролюминесценции в легированных эрбием диодных структурах при пробое обратно смещенного p-n-перехода. Предложен новый метод определения энергетического спектра глубоких примесных состояний, образуемых центрами эрбия в запрещенной зоне кремния.

 

2. Физические и технологические основы создания СВЧ-, КВЧ- и оптоэлектронных полупроводниковых элементов и устройств на основе многослойных субмикронных Si- структур

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники

Диодные и транзисторные структуры на базе кремния являются основой большинства полупроводниковых приборов современной электроники. С момента создания лаборатория полупроводниковой электроники СВЧ НИФТИ ННГУ активно занимается разработкой и поиском условий расширения функциональных возможностей активных элементов сверхвысоких частот (СВЧ) на базе многослойных структур кремния, выращенных методом сублимационной молекулярно – лучевой эпитаксии (СМЛЭ). Результатом этих исследований явилось создание в 80-х годах 20 века лавинно-пролетных диодов (ЛПД) мм- и субмм – диапазона с параметрами, близкими к уровню мировых достижений того времени. Позже были разработаны диоды с накоплением заряда (ДНЗ), позволяющие формировать перепады напряжений с уникально коротким (до сегодняшнего дня) фронтом (менее 20 пс при амплитуде до 10 В).

В 90-е годы прошлого века нами была обнаружена генерация обратносмещенными диодами щумового электромагнитного излучения с рекордно высокой спектральной плотностью мощности шума (СПМШ) в сверхширокой полосе частот. Практическим результатом исследований этого эффекта явились разработки оригинальных шумовых диодов и параметрического ряда источников (генераторов) электромагнитного излучения со спектром типа «белый шум» в диапазоне частот 26-230 ГГц с уникально высокой СПМШ в 100-1000 раз превышающей лучшие мировые достижения в этой области.

Были построены феноменологические и численные модели процессов генерации в ЛПД в субмм диапазоне, процессов переключения в ДНЗ с ультракоротким фронтом, а также процессов генерации стохастических колебаний шумовыми диодами.

Научные результаты применяются в НИОКР, выполняемых лабораторией в области электроники СВЧ, а также в работах по биомедицинской тематике, выполняемых в кооперации с ведущими исследовательскими центами России и за рубежом.

 

3. Взаимодействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ-диапазона с биологическими средами, а также с организмами человека и животных.

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники

Изучение вопросов изменений в живых организмах под воздействием электричества было начато практически одновременно с открытием электричества. Эти исследования продолжались и развивались по мере расширения электрического инструментария. Примерно с середины 20 века стали активно развиваться исследования в области влияния электромагнитных волн СВЧ диапазона. В результате чего были разработаны новые методы лечения онкологических заболеваний – методы сверхвысокочастотной (СВЧ) – гипертермии (или, как называют ее за рубежом, диатермии). Они были основаны на разрушении опухолей под воздействием высокоинтенсивного электромагнитного излучения (ЭМИ).

В середине 80-х годов прошлого века группой ученых НИИ «Исток» (Россия) под общим руководством академика Н.Д.Девяткова были начаты работы по изучению влияния низкоинтенсивного ЭМИ крайневысоких частот (КВЧ) на биологические объекты. Понятие низкой интенсивности предполагает здесь слабость разогрева облучаемых объектов. Практическим результатом этих исследований явилось формирование новых методов лечения – методов так называемой КВЧ-терапии. Методы основывались на воздействии на организм моногармоническим ЭМИ с заданной длиной волны в КВЧ - диапазоне. При этом, эффективность лечения значительно изменялась в зависимости от длины волны ЭМИ.

В 90-е годы 20 века в НИФТИ ННГУ были созданы оригинальные диоды, обеспечивающие генерацию ЭМИ со спектром типа «белый шум» в КВЧ диапазоне, отличающиеся от аналогов на порядки более высокой спектральной плотностью мощности шума (СПМШ). Практически одновременно с созданием указанных шумовых диодов были разработаны генераторы такого излучения и начаты исследования его влияния на организм человека и животных и на различные биологические среды. Практическим результатом таких исследований явилось создание аппарата КВЧ - терапии низкоинтенсивным ЭМИ АМФИТ-0,2/10-01, выпускаемого в настоящее время малыми партиями ООО «ФизТех». Аппарат показал высокую эффективность при лечении широкого спектра заболеваний, в том числе, социально значимых типа ОРВИ, грипп, атипичная пневмония, а также особо тяжелых, например, СПИД, онкологические заболевания.

 

 

4. Разработка методов молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания многослойных полупроводниковых структур на основе кремния, германия и твердого раствора кремний-германий

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория электроники твердого тела

 

В лаборатории «Электроника твердого тела» для выращивания многослойных полупроводниковых структур используется метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в котором поток атомов кремния и легирующей примеси формируется при испарении через сублимацию прямоугольных брусков кремния, вырезанных из слитков монокристаллического кремния, легированных заданной примесью, а поток атомов германия формируется при разложении газа германа (GeH4), напускаемого в камеру роста, на сублимационном кремниевом источнике (при осаждении слоев твердого раствора кремний-германий) или на «горячей проволоке», изготовленной из тантала (при осаждении слоев чистого германия). Данный метод выращивания эпитаксиальных слоев осуществляется на подложках, как в форме прямоугольных пластин, нагреваемых пропусканием электрического тока, так и в виде дисков диаметром до 100 мм, нагреваемых радиационно.

 

Данный метод характеризуется следующими основными преимуществами:

- поток атомов кремния и легирующих примесей из сублимирующего источника ближе к моноатомному, чем при испарении с использованием электронной пушки или эффузионной ячейки, что снижает плотность дефектов в слоях и оказывает положительное влияние на весь процесс эпитаксиального роста. За счет этого минимальная температура роста автоэпитаксиальных слоев Si ниже при испарении из сублимационного источника, чем при электронно-лучевом испарении кремния.

- формирование потока атомов кремния с достаточно высокой интенсивностью, обеспечивающей скорость роста до ~5 мкм/час и в то же время низкое фоновое легирование растущего слоя (≤ 2∙1013 см‑3) обеспечивается за счет минимального разогрева крепящих держателей источника кремния;

- легирование слоев Si и SiGe широким спектром примесей (B, Al, Ga, Sb, As, P) в широких пределах (от 2∙1013 до 1∙1020 см‑3) путем испарения примеси из сублимирующего источника. Такой вид легирования не требует использования специальных источников, отдельных от источника потока кремния. Причем поток легирующей примеси из сублимирующего источника формируется с высокой стационарностью, что очень важно для воспроизводимого легирования на протяжении длительного процесса выращивания структур;

- процесс формирования потока атомов германия значительно проще по сравнению с испарением германия с помощью электронно-лучевой пушки и не создает капель в потоке и позволяет выращивать слои в локальных областях подложки.

 

5. Разработка методов эпитаксиального выращивания гетероструктур со слоями германия на Si(100); слоями твердого раствора кремний-германий, как на кремниевой так и на диэлектрической (сапфир) подложках для микро- и оптоэлектроники

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория электроники твердого тела

 

Данное направление лаборатории тесно связано с развитием кремниевой оптоэлектроники, с возможностью интеграции оптоэлектронных и электронных приборов. Для этого необходимы эффективные источники и приемники излучения, совместимые с кремниевой технологией. В качестве светоизлучающих приборов на длине волны λ = 1,54 мкм большие перспективы связывают с кремниевыми эпитаксиальными нано-, гетероструктурами (ГС) Si/Si1-XGeX, легированными примесью эрбия. С другой стороны, важным является создание фотодетекторов на основе слоев германия, выращенных на Si(100). Такие фотодетекторы могут детектировать оптические сигналы на длинах волн 1,3-1,55 мкм. Еще одним перспективным практическим применением слоя Ge на кремниевой подложке является его использование в качестве буферного слоя для выращивания GaAs на Si-подложке, т.е. эпитаксиальный слой Ge на Si можно рассматривать как виртуальную дешевую подложку для изготовления оптических приборов на базе GaAs.

 

а) приборные структуры на основе слоев Ge на Si(100)

Для создания гетероструктур такого типа разработан низкотемпературный (TS = 300 – 380 ºC) метод осаждения из моногермана (GeH4) с разложением его в камере высоковакуумной установки на горячей проволоке. Без использования дополнительных толстых буферных слоев (с градиентным распределением содержания Ge или низкотемпературных буферных слоев) возможно выращивание слоев с предельно гладкой морфологией (RMS ~ 0,6 нм на скане 10×10 мкм при толщине слоя Ge 0,3 мкм), низкой плотностью прорастающих дислокаций (< 106 см-2) и резкой границей раздела слоя с подложкой. Такие структуры планируется использовать в приборных приложениях (например, фотодетекторах на λ = 1,3 - 1,55 мкм).

 

б) светоизлучающие структуры на основе слоев SiGe на Si(100) 

Низкие температуры (~350 ºC) роста гетероструктур Si/Si1-XGeX:(Er)/Si(100) с высоким содержанием Ge (вплоть до x = 0,35) позволяют формировать достаточно совершенные релаксированные слои SiGe толщиной несколько микрометров. Такие гетероструктуры проявляют интенсивную фотолюминесценцию на λ = 1,54 мкм. Впервые в этих структурах при высоких уровнях оптического возбуждения наблюдалась инверсная населенность энергетических уровней примеси эрбия.

 

в) структуры кремния-на-сапфире (КНС)

Разработан низкотемпературный метод роста субмикронных слов Si на сапфире для использования в микроэлектронике. Разработанный высокотемпературный предэпитаксиальный отжиг сапфира R-среза и последующий рост слоя кремния при низких температурах (500 – 600 ºC) позволяют значительно снизить плотность микродвойников в КНС-структурах, формировать гладкую морфологию поверхности слоя.

Кроме того, разработан метод выращивания слоев твердого раствора SiGe на КНС-структурах в одном технологическом цикле (при минимальной толщине слоя Si равной 0,1 мкм), что открывает широкие возможности для изготовления на них приборов, работающих в СВЧ-диапазоне.

Гетероструктуры с легированными атомами эрбия слоями твердого раствора Si1‑XGeX, выращенными на тонком (~0,1 мкм) подслое кремния на сапфире в одном технологическом цикле, демонстрируют высокую интенсивность фотолюминесценции с наличием тонкой структуры ее спектра на λ = 1,54 мкм, сравнимую с фотолюминесценцией таких же слоев, выращенных на подложках Si(001).