Nanophotonics_RG10

РГ 10 НАНОФОТОНИКА
28 участников:
ФТИ им. А.Ф. Иоффе
ФИАН им. П.Н. Лебедева
ИАПУ ДВО РАН
ИЛФ СО РАН
ИФМ РАН
Институт физики им. Б.И. Степанова
ФГУП «ВНИИОФИ
ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»
ОАО «НИИФИ»
СПбГУ ИТМО
МИТХТ им. М.В. Ломоносова
ИркГТУ
ОАО ИСС им. М.Ф. Решетнева
ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха
ЗАО «НТ-МДТ»
ЗАО «Полупроводниковые приборы»
ОАО «НПП «Инжект»
АО «Научные приборы»
ООО «Кристалл-Т»
ООО «КДП»
ООО «Микросенсор Технолоджи»
ООО «Милон лазер»
ЗАО «ФТИ Оптроник»
ООО «Эльфолюм»
ООО «Сигм плюс инжиниринг»
ЗАО «НТИ»
ЗАО «НТА»
ООО «Поларлайт»
РГ 10 НАНОФОТОНИКА
Направления исследований и
разработок (НИОКР):
1. Полупроводниковые лазеры
2. Светодиоды
3. Фотоприемники
4. Фотовольтаика
5. Фотонные кристаллы
6. Метаматериалы
7. Органическая оптоэлектроника
На примере проектов ФТИ им. А.Ф.Иоффе
Технологии полупроводниковых лазеров 1
1. Нанотехнологии роста
лазерных структур
2. Технологии дизайна
лазерных структур
4. Технологии
металлизации
и монтажа
3. Технологии
диэлектрических
покрытий
Цель - создание конструкций и
технологий производства перспективных
полупроводниковых гетероструктур и
конкурентоспособных изделий
оптоэлектроники, новых их поколений
специального и двойного применения
для решения широкого круга
социально-экономических и оборонных
задач государств-участников Союзного
государства
Результат - разработка импульсных
полупроводниковых лазеров
мощностью 200 Вт
1,0
2,4
туннельный
переход
0,8
P-тип
N-тип
+
N -тип P+-тип
2,2
0,6
2,0
0,4
0,2
1,8
-1
0
1
x, мкм
2
3
4
Ширина запрещенной зоны , эВ
Индустр. партнер: ОАО «Светлана»
Объем финансир.: 80 млн. руб.
Сроки: 2011-2015 гг
Интенсивность излучения , отн.ед.
ОКР -«Разработка мощных полупроводниковых импульсных лазеров
ближнего ИК диапазона на квантово-размерных гетероструктурах
1
InGaAs/AlGaAs и приборов на их основе»
НИОКР -«Квантоворазмерные полупроводниковые наногетероструктуры со сверхшироким спектром
усиления и лазеры ближнего ИК-диапазона с расширенным волноводом на их основе для создания 1
перестраиваемого источника лазерного излучения в диапазоне от красного до синего цвета»
Цель - разработка технологии синтеза
методом МПЭ квантоворазмерных
гетероструктур со сверхшироким спектром
усиления и технологии лазеров ближнего ИКдиапазона с расширенным волноводом для
создания перестраиваемого компактного
источника лазерного излучения в диапазоне
от красного до синего цвета.
Eλ=2E2
k-2k2=2/Λ
λ
2λ
2λ
2λ
Λ
λ
2λ
10
SH Power, mW
Индустр. партнер: ООО «Химприбор-СПб»
Объем финансир.: 35 млн. руб.
Сроки: 2014-2016 гг
1
0,1
0,01
480 500 520 540 560 580 600 620 640 660
SH Wavelength, nm
НИОКР -«Полупроводниковые наногетероструктуры А3В5
для вертикально-излучающих лазеров ближнего ИК-диапазона»
1
Индустр. партнер: ООО «ОКБ-Планета»
Объем финансир.: 45 млн. руб.
Сроки: 2014-2016 гг
-10
2 mA
o
20 C
-20
o
30 C
o
40 C
Power [dB]
Цель - разработка конструкции,
базовой технологии синтеза методом
молекулярно-пучковой эпитаксии и
методов диагностики параметров
полупроводниковых
наногетероструктур А3В5 для
вертикально-излучающих лазеров
ближнего ИК-диапазона.
-30
o
50 C
o
60 C
o
-40
70 C
o
80 C
o
-50
90 C
-60
-70
844
846
848
850
852
Wavelength [nm]
854
2. Светодиоды
Направления разработок ФТИ в области СИД
1.
Технологии эпитаксиального роста СИД
гетероструктур с заданными длинами волн
излучения
2.
Технологии дизайн СИД с максимальным КПД
3.
Разработка конструкций светотехнических
устройств и алгоритмов управления световыми
параметрами
Партнеры: НТЦ микроэлектроники РАН, ЗАО «СветланаОптоэлектроника», ООО «Софт-Импакт»
Источник финансир.: 7-я Европейская рамочная
программа, ФЦП Минобрнаука, РФФИ, Программы
Президиума РАН
2
7 РП проект NEWLED - Nanostructured Efficient White LEDs
based on short-period superlattices and quantum dots
Объем финансир. ФТИ: 750 тыс. евро из 11,5 млн. евро
Сроки: 2012-2016 гг
Цель - разработка высокоэффективных и
сверхярких монолитных и гибридных
белых светоизлучающих диодов
на основе GaN.
Задачи:
−Разработка технологий эпитаксиального
роста квантовых точек InGaN для СИД
−Создание монолитных, в том числе
безлюминофоных, белых СИД
Участники проекта (14):
 Университет Aston (Великобритания)
 Компания OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS
 Технический университет Берлина
 ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Россия)
 Государственный научноисследовательский центр Франции
 Компания VI systems (Германия)
 Компания TOP-GAN SP ZOO (Польша)
 Компания COMPOUND SEMICONDUCTOR
TECHNOLOGIES GLOBAL LIMITED (Великобритания)
 Университет Рима TOR VERGATA
 Компания M-SQUARED LASERS LIMITED
(Великобритания)
 Университет технологии Тампере (Финляндия)
 Компания Софт-Импакт (Россия)
 Компания LUX-TSI LIMITED (Великобритания)
 Университет Вильнюса
2
ОКР «Разработка новых технологий освещения на основе динамически
управляемых светодиодных систем для производства энергоэффективных
источников белого света нового поколения»
В рамках Постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки
развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих
комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства»
Индустр. партнер: ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»
Объем финансир.: 245 млн.руб.
Сроки: 2013-2015 гг
Цель - создание энергоэффективных динамически управляемых СИД источников освещения.
Основное назначение - создания оптимальной световой среды для жизнедеятельности человека
путем регулирования спектрально-цветовых и яркостных характеристик
Задачи: разработка оптической и электрической схем, технологии изготовления и алгоритмов
управления
RGB принцип
Управляемый RGB источник белого света
Массив RGB светодиодов
2
3. Фотоприемники
Фотодиоды и светодиоды (оптопары)
для средней ИК области (1600-5000 nm)
Light Telecommunication
Vis
NIR
3
Optical gas and liquid analyzing
Mid IR
GaSb-InAs
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Wavelength, nm
Разработанные в ФТИ ФД, СД а
также перестраиваемые лазеры на
1600-5000 нм не имеют аналогов.
Позволяют создать портативные
оптические анализаторы газов и
жидкостей. Продукция выводится
на рынок через МП.
Absorption intensity, cm/mol
В средней ИК области лежат
характеристические полосы поглощения важных
химических соединений: вода и ее пары (H2O),
метан (CH4), двуокись углерода (CO2), окись
углерода (CO), аммоний (NH3), а также C2H2 C2H4,
C2H6,,CH3Cl, HCl, HBr, H2S, HCN, NO2, SO2, глюкоза
и др.
СО2
absorption
LED43
spectrum
LED36
spectrum
PR43
spectrum
4,E-18
3,E-18
2,E-18
LED43
CO2
PD48
1,E-18
1,E-19
2500
LED37
3000
3500
4000
4500
Wavelength, nm
5000
5500
4. Фотовольтаика
Каскадные солнечные элементы (КСЭ)
на основе А3В5 наногетероструктур (НГС) 4
Современные КСЭ – сложные НГС площадью до 30 см2 с числом слоев до нескольких десятков
GaAs- n++
Contact layer
AlInP-n
GaInP-n
Window
Emitter
GaInP-p
Base
(Al)GaInP- p+
BSF
НГС с Брэгговским рефлектором для эффективного
поглощения «подзонных» фотонов
pAl0.8Ga0.2As
Tunnel Junction
Tunnel Junction
AlGaAs- n
GaInAs- n
Window
Emitter
GaInAs- p
Base
p+GaAs
p-GaAs
p+ GaAs p-AlGaAs
p n
n-GaAs
+
(Al)GaInP- p
BSF
Buffer
GaInP- n
n-Ge junction
Window
AlAs/GaAs
Bragg
reflector
n+ GaAs
n-GaAs/AlAs
12 periods
Tunnel Junction
Tunnel Junction
GaInAs- n
GaAs
n-GaAlAs
0.5 μ m
р-Ge – substrate
1μ m
GaInP/GaAs/Ge НГС КСЭ, КПД~38%
Солнечное излучение
Снижение оптических потерь:
сетчатый контакт,
антиотражающее покрытие
Снижение
«контактных» потерь
1 мкм
20 нм
Снижение потерь
на межсоединения
благодаря
использованию
туннельных p-n
переходов
n-GaAs
Преобразование
коротковолновой части
(400-670 нм) солнечного
спектра
Преобразование
«среднего» участка
(670-900 нм) солнечного
спектра
Преобразование
ИК-части (900-1650 нм)
солнечного спектра
Согласование
параметров решетки
и применение
наноразмерных слоев
Снижение
«поверхностных»
рекомбинационных
потерь
Снижение объемных
рекомбинационных
потерь: тыльные
потенциальные барьеры
Ограничение носителей
тока
Отражение фотонов
Согласование фототоков
Пути увеличения КПД КСЭ
Реализуемый проект: «Солнечные элементы на основе
наногетероструктур»
4
Мегагрант Минобрнауки РФ, 90 млн. руб., 2013-2015 гг. Ведущий ученый: Антонио Луке.
Цель: повышение эффективности СЭ.
Задачи: создание НГС с квантовыми ямами и квантовыми точками (КТ).
Результат: увеличение квантового выхода по сравнению с аналогами.
p -окно
p -эмиттер
Массив InAs КТ создает
промежуточные зоны для
2-х-фотонного поглощение
света.
Массив InAs КТ
n -база
n -подложка
Тыльный контакт
1,0
Граница зоны
GaAs
WL = 880 nm
Внешний квантовый выход
0,9
0,8
0,2
0,7
Qext
2
J = 23.210 mA/cm
2
J = 31.936 mA/cm
0,6
0,5
0,4
0,3
0,1
MOCVD InAs (аналог)
ФТИ 2014 (10 слоев InAs КТ)
0,0
0,2
0,1
0,0
400
500
600
700
Длина волны, nm
800
QExt
Вклад квантовых точек
(880 - 1000 nm)
2
J = 0.280 mA/cm
2
J = 0.468 mA/cm
900
1000
900
925
950
Предлагаемый проект: «Повышение эффективности и радиационной
стойкости КСЭ наземного и космического назначения»
4
Цель: повышение КПД, удельного энергосъема и срока службы КСЭ; импортозамещение при создании
космических СБ.
Задачи: создание новых типов квантово-размерных гетероструктур для КСЭ с увеличенным (до 4-5) числом p-n
переходов; создание гетероструктур со множественными Брегговскими отражателями для повышения КПД и
радиационной стойкости космических СЭ.
Индустр. партнеры:
ОАО «НПП «Квант»
(г.Москва); ОАО «Сатурн»
(г. Краснодар).
Объем финансир.: 150 млн.
руб.
Сроки: 2016-2018 гг.
Ожидаемые результаты:
−достижение КПД более 45%
при 500-1000 «солнцах»;
−достижение срока службы
космических батарей более
20 лет на геосинхронных
орбитах.
Улучшенное согласование
токов в КСЭ
Инвертированные
метаморфные КСЭ
+ 6-8%
+ 5%
+ 3-5%
4-6 p-n переходов в КСЭ
+ 10%
«Стандартная»
технология
ƞ = 40%
Ультра-тонкие КСЭ
Разработка технологии высокоэффективных
4
гетероструктурных СЭ на основе кристаллического кремния
Цель: Разработка технологий HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin Layer) и конструкций фотоэлектрических преобразователей
(ФЭП) на основе крист. кремния с технико-экономическими
характеристиками, обеспечивающими конкурентные
преимущества на рынках.
Индустр. партнер: ООО«Хевел»,
г.Новочебоксарск
Объем финансир.: 60 млн. руб.
Срок: 2015 - 2016 гг
Задачи:
разработка технологии кремниевых гетероструктурных
ФЭП
с эффективностью свыше 20 %;
создание образцов ФЭП
с эффективностью более 20 %
и их характеризация;
передача технологии
индустриальному партнеру.
Технология HIT
4
Технология HIT – формирование СЭ на основе гетероперехода
аморфный (a-Si:H) - кристаллический кремний (c-Si): c-Si подложка +
тонкопленочная технология = высокая эффективность + низкий
температурный коэффициент
Текстурирование
Лицевой контакт (ITO)
Формирование гетероперехода
Токосъемная сетка (Ag)
Нанесение контактов
(p) aSi:H (10 нм)
n-тип c-Si
(i) aSi:H (5 нм)
(i) aSi:H (5 нм)
ITO
Тыльный контакт (Ag)
Мировой рекорд 2014 г среди СЭ
на основе кремния – 25.6 %
Нанесение токосъемной сетки
Отжиг
(n) aSi:H (10 нм)
Контроль параметров
5. Фотонные кристаллы
Функциональные фотонно-кристаллические материалы (ФКМ)
для управления потоками электромагнитного излучения
5
Фотонный кристалл – полупроводник для света
1D
2D
3D
Возможные применения:
Схематическое
изображение
фотонного микрочипа
‒
‒
‒
‒
Манипуляции со световыми потоками
Переключатели
Сенсоры
Оптические микрочипы
Изготовление трехмерного полупроводникового ФКМ на
основе матрицы синтетического опала
5
Инвертированный опал
(полупроводниковый
фотонный кристалл)
Заполненный
полупроводником
Незаполненный опал
заполне
ние
травле
ние
Материалы (ФТИ):
300 nm
3 m
СЭМ изображение
инвертированного опала
Si, GaN, GaP, VO2
GaNxP1-x, GaN:Er, ZnS:Mn, Zn2SiO4:Mn,
Er2O3, Er2SiO5, Er2Si2O7
Au, Ag, Pt, Cu, W, Sn, Pb, In, Ga, Bi
Сверхбыстрое переключение фотонной
запрещенной зоны в ФКМ опал-VO2
5
Горячая фаза:
тетрагональная
решетка,
металл,
ε5.3
Переход менее 0,5 ps !
30
E (meV)
Холодная фаза:
моноклинная решетка,
полупроводник,
ε8.4
Лазерный
импульс
20
E25 мэВ
10
0
0
2
Time (ps)
Лазерный импульс индуцирует фазовый переход П-М в VO2
4
Когерентная гиперзвуковая акустооптическая модуляция
электромагнитного излучения в синтетических опалах
5
частота 1010-1012 Гц, , спектральный диапазон 0.4-1.6 мкм
1.2
R/R0*10-3
Лазерный
1.0 импульс
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Elastic bonds
0
100
200
300
400
500
Time (ps)
Пикосекундный импульс лазера → Нагрев металлической пленки → Расширение
пленки → пикосекундный импульс деформации инжектируется в опаловую пленку
→ Когерентные (за счет упругой связи) колебания опаловых сфер → модуляция
периода ФКМ → модуляция спектра брэгговского отражения
6. Метаматериалы
Метаматериалы
6
Структуры, созданные из «искусственных атомов», обладающие свойствами,
не встречающимися у природных материалов
В.Г. Веселаго, УФН, 10, 509 (1968)
J.B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85(18) 3966 (2000)
T. Xu et al., Nature, 497, 470 (2013)
Линза Пендри (Линза Веселаго)
MDMDM structures
Метаматериалы для фокусировки
многомодового излучения
Возможность «выпрямления»
многомодового волнового
фронта полупроводникового
лазера за счет эффекта
направленной дифракции.
Отсутствие зависимости угла
направленной дифракции от
угла падения света позволяет
выравнивать волновые фронты
различных мод
полупроводникового лазера.
total (r ,  )  meta (r ,  )   prop (r ,  )
6
Метаматериалы для генерации ТГц излучения
на разностной частоте
6
Малая энергия ТГц фотона → Уменьшение мощности на 2-3 порядка при нелинейнооптическом преобразовании из ИК излучения даже при 100%
квантовом выходе.
E1-E2=ETHz
λ1
λ2
THz
k1-k2=kTHz
λ1
λ2
THz
Генерация ТГц излучения в
квантовых каскадных лазерах
Необходимо создание
(2))2 P P (l )2
P
~
(χ
THz
1 2 coh
метаматериалов на основе
полупроводниковых наногетероструктур:
-с уменьшенной дисперсией показателя преломления
для повышения длины когеретности при генерации
разностной частоты
-с увеличенной нелинейной восприимчивостью для
повышения эффективности генерации ТГц излучения.
7. Органическая
оптоэлектроника
Органическая оптоэлектроника
Светоизлучающие транзисторные
структуры на основе
полупроводниковых полимеров и
неорганических наночастиц
7
Органические светодиоды на основе
пленок поливинилкарбазола,
легированных полимерными
наночастицами