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 распространённых кремниевых микросхем и материалов, отвечающих за взаимодействие со светом.

Новая молодежная лаборатория Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН займётся 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 молодёжной 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 приёмники 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 фотоприёмные устройства, работающие в более длинноволновом инфракрасном диапазоне по сравнению с исходным материалом», — продолжает учёный.

Именно инфракрасный свет используется в телекоммуникациях, рабочие длины волн, на которых происходит передача информации в оптоволокне, находятся в инфракрасном 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 запрещённую зону при определенных составах и деформациях, что открывает возможность создания эффективных фотоприёмных и светоизлучающих устройств, работающих в коротковолновом и среднем инфракрасном диапазонах. 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 (РНФ). Вячеслав Тимофеев руководит действующим проектом РНФ, посвященным фотонно-кристаллическим, плазмонным и гибридным структурам, сопряжённым со слоями на основе материалов германий-кремний-олово.

Сотрудники молодежной лаборатории физики и технологии гетероструктур на основе элементов IV группы ИФП СО РАН,
фото Владимира Трифутина

«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 объёме. Чтобы избежать этого, мы разработали новые подходы. Помимо этого, наша научная группа разработала и создала образцы фотоприёмных структур. В рамках исследовательской деятельности новой лаборатории стоит более глобальная задача — создание макетов фотоприёмных 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 — ассиметричные 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.

Справка: Конкурс Минобрнауки России на создание молодежных лабораторий проходил в рамках национального проекта «Наука и университеты» по 10 приоритетным направлениям.

Молодёжная лаборатория под руководством В. А. Тимофеева создана по направлению «Микроэлектроника». Всего по итогам конкурса было поддержано 200 заявок.

Пресс-служба ИФП СО РАН
Автор фото: Владимир Трифутин (1,2), Надежда Дмитриева (на заставке)
Опубликовано на сайте «Науки в Сибири»