Микро и наноэлектроника

Микро- и наноэлектроника

• Разработка новых наноматериалов и наноустройств, а также оптических методов их диагностики.

  Оптические методы диагностики материалов с использованием фемтосекундных лазеров позволяют получать характеристики материалов, недоступные другим методам. К ним относятся: исследование спектральных зависимостей показателя преломления и коэффициента поглощения, а также квдратичной нелинейной восприимчивости с временным разрешением до 100 фс. Кроме того, такие импульсы длительностью 100 фс позволяют исследовать оптические процессы в неразрушающем сильном световом поле до 10⁶ В/см (постоянное электрическое поле такой величины приводит к электрическому пробою). Фемтосекундный лазер, встроенный в схему конфокальной микроскопии, позволяет пространственно-временные изображения различных процессов, проходящих в материалах и структурах наноэлектроники и оптоэлектроники. Фемтосекундные импульсы генерируют в полупроводниковых и магнитных наноструктурах короткие импульсы электрического тока, которые, согласно законам электродинамики, генерируют электромагнитное излучение, попадающее в терагерцовый (ТГц) диапазон. На этой основе развиваются методики генерации ТГц излучения.

  В настоящее время поисковые и фундаментальные исследования направлены на решение следующих основных задач:

  1. Разработка фотодетекторов и фототранзисторов на основе двумерных полупроводников дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) и гетероструктур ДПМ с использованием методики полностью оптической диагностики.
  2. Оптимизация эффективности и управления поляризацией при генерации терагерцового излучения полупроводниковыми гетероструктурами на основе GaAs, слоистыми (в том числе двумерными) полупроводниковыми и спинтронными материалами.
  3. Исследование процессов переключения поляризации сегнетоэлектрических и мультиферроидных пленок и наноструктур методом микроскопии генерации второй оптической гармоники

  Исследования выполняются по программам Минобрнауки РФ, грантам Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, а также  международным проектам в тесном сотрудничестве с научными группами из Университета г. Лилль (Франция), Университета г. Наймеген (Нидерланды), Института общей физики РАН.

  Основные работы, опубликованные по результатам исследований за последние три года:

  1. Lavrov S.D. et al. Nonlinear-optical characterization of planar domain patterns written in LiNbO3 by electron-beam irradiation // Opt. Mater. (Amst). Elsevier B.V., 2018. Vol. 75. P. 325–330.
  2. Елшин А.С. et al. Свойства Пленок Титаната Бария-Стронция На Кремневой Подложке Для Использования В Солнечной Энергетике, “Наука Юга России” // Sci. South Russ. Akademizdatcenter Nauka, 2018. № 3. P. 29–36.
  3. Елшин А.С. et al. Нелинейно-Оптическая Диагностика Поликристаллических Тонких Пленок Цирконата-Титаната Свинца // Письма В Журнал Технической Физики. 2020. Vol. 46, № 8. P. 32.
  4. Avdizhiyan A.Y. et al. Tunable spectral properties of photodetectors based on quaternary transition metal dichalcogenide alloys MoxW(1-x)Se2yS2(1-y) // IEEE Sens. J. 2020. P. 1–1.
  5. Lavrov S.D. et al. The heterogeneity analysis of two-dimensional Mo(1−x)W(x)S(1−y)Sey alloys by optical methods // Thin Solid Films. 2018. Vol. 651. P. 7–12.
  6. Avdizhiyan A.Y. et al. Photoresponse of Optical Sensors Based on Transition Metal Dichalcogenides: Influence of Thickness on Spectral Characteristics // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45, № 6. P. 625–627.
  7. Shestakova A. et al. Photoexcitation Carrier Kinetics in WSe2 Nanolayers in the Vicinity of the Band Edge // Phys. Status Solidi Basic Res. 2018. Vol. 255, № 1. P. 1700259.
  8. Lavrov S.D. et al. Optical Characterization of the Structural Imperfection of Two-Dimensional MoS2 Crystallites // Tech. Phys. Lett. 2018. Vol. 44, № 11. P. 1008–1009.
  9. Lavrov S.D. et al. High-Sensitivity Photodetector Based on Atomically Thin MoS2 // Semiconductors. 2018. Vol. 52, № 6. P. 771–775.
  10. Горбатова А.В. et al. Фотопроводящий THz-детектор на основе сверхрешеточной гетероструктуры с плазмонным усилением // Письма В Журнал Технической Физики. 2020. Vol. 46, № 22. P. 10.
  11. Lavrukhin D. V. et al. Numerical simulations and experimental study of terahertz photoconductive antennas based on GaAs and its ternary compounds // Optical Sensing and Detection V / ed. Berghmans F., Mignani A.G. SPIE, 2018. P. 59.
  12. Lysogorskii Y. V. et al. Structural, electronic, and optical properties of heterointerface based on antiferromagnet LaMnO3 and ferroelectrics isostructural to BaTiO3 // Ferroelectrics. 2019. Vol. 541, № 1. P. 74–78.
  13. Elshin A.S., Mishina E.D. Femtosecond Laser Writing of Waveguide Microstructures in Pb(Zr,Ti)O3 Films and Their Characterization by the Nonlinear Optical Method // Tech. Phys. Lett. 2018. Vol. 44, № 6. P. 538–540.
  14. Brekhov K.A., Lavrov S.D. Electro-optic properties of Ba0.8Sr0.2TiO3 thin film // Ceram. Int. 2020.
  15. Brekhov K.A. Electric Field Intensity in a Planar Capacitor Based on Thin BaSrTiO3 Ferroelectric Film // Nano- i Mikrosist. Teh. 2018. Vol. 20, № 9. P. 555–561.
  16. Lavrov S. et al. Nonlinear Optical Spectroscopy of Two-Dimensional WSe2 Nanoflakes // MRS Adv. 2019. Vol. 4, № 10. P. 635–641.
  17. Buryakov A.M. et al. The Role of Excitation Photons Energy in the Photoinduced Carrier Dynamics in InGaAs/InAlAs Superlattice Heterostructures // Tech. Phys. Lett. 2018. Vol. 44, № 12. P. 1115–1119.
  18. Gorbatova A. V., Khusyainov D.I., Buryakov A.M. Terahertz Emission from a Monolayer Tungsten Diselenide Surface // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45, № 12. P. 1262–1265.
  19. Nomoev S.A. et al. The Influence of the Annealing Regime on the Properties of Terahertz Antennas Based on Low-Temperature-Grown Gallium Arsenide // Tech. Phys. Lett. 2018. Vol. 44, № 1. P. 44–46.
  20. Buryakov A. et al. Effect of Epitaxial Stresses on the Time Dynamics of Photoexcited Charge Carriers in InGaAs-Based Superlattices // MRS Adv. 2019. Vol. 4, № 1. P. 15–20.
  21. Buryakov A.M. et al. An advanced approach to control the electro-optical properties of LT-GaAs-based terahertz photoconductive antenna // Mater. Res. Bull. 2020. Vol. 122. P. 110688.
  22. Ponomarev D.S. et al. Enhanced terahertz emission from strain-induced InGaAs/InAlAs superlattices // J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125, № 15. P. 151605.
• Интегрированные сегнетоэлектрические устройства
  
  Решение задач современной твердотельной электроники в так называемую эпоху пост-Мура, когда существующие полупроводниковые технологии столкнулись с физическими ограничениями на пути дальнейшего масштабирования, требует внедрения принципиально новых материалов и физических принципов создания нового поколения устройств. Научным коллективом под руководством академика РАН А.С. Сигова создано новое направление – активные диэлектрики для элементной базы информационных систем, в рамках которого разработаны и проектируются энергонезависимые запоминающие устройства с возможностью эксплуатации в экстремальных условиях, неохлаждаемые матричные ИК-приемники, микроэлектромеханические системы (МЭМС) и датчики.
  В настоящее время основными направлениями исследований являются: экспериментальное и теоретическое рассмотрение физических явлений в сегнетоэлектрических гетеро- и наноструктурах, создание новых методов формирования пористых и композитных структур с использованием процессов молекулярной самосборки, исследование их структурных особенностей и физических свойств.
  
  Основные работы, опубликованные по результатам исследований:
  

  1. Абдуллаев Д.А., Милованов Р.А., Волков Р.Л., Боргардт Н.И., Ланцев А.Н., Воротилов К.А., Сигов А.С. Сегнетоэлектрическая память: современное производство и исследования // Российский технологический журнал. – 2020. – V. 8. – №5. – P. 44-67. – DOI 10.32362/2500-316X-2020-8-5-44-67.
  2. Podgorny Y.V., Vorotilov K.A., Sigov A.S., Scott J.F. Dead layer thickness estimation at the ferroelectric film-metal interface in PZT // Applied Physics Letters. – 2019. – V. 114. – № 13. – P. 132902(1-5). – DOI 10.1063/1.5084019.
  3. Жигалина О.М., Хмелениин Д.Н., Валиева Ю.А., Колосов В.Ю., Бокуняева А.О., Кузнецов Г.Б., Воротилов K.A., Сигов А.С. Структурные особенности пленок ЦТСЛ // Кристаллография. – 2018. – Т. 63. – № 4. – С. 620-629. – DOI 10.1134/S0023476118040318 (Zhigalina O.M., Atanova A.V., Khmelenin D.N., Kotova N.M., Seregin D.S., Vorotilov K.A. Structural Features and Mutual Influence of the Layers in PZT–LNO–SiOx–Si and PZT–LNO–Si Compositions // Crystallography Reports. – 2019. – V. 64. – № 6. – P. 961-967. – DOI 10.1134/S1063774519060282).
  4. Атанова А.В., Жигалина О.М., Хмеленин Д.Н., Серегин Д.С., Воротилов К.А. Кристаллизация слоев в гетероструктурах PZT/LNO/Si // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61. – № 12. – С. 547-552. – DOI 10.21883/FTT.2019.12.48575.03ks (Atanova A.V., Zhigalina O.M., Khmelenin D.N., Seregin D.S., Vorotilov K.A. Layer Crystallization in PZT/LNO/Si Heterostructures // Physics of the Solid State. – 2019. – V. 61. – № 12. – P. 2464-2467. – DOI 10.1134/S1063783419120035).
  5. Podgorny Y., Antonovich A.N., Vorotilov K., Sigov A. Discharge currents in dense and porous PZT films // Ferroelectrics. – 2019. – V. 544. – № 1. – P. 82-87. – DOI 10.1080/00150193.2019.1598192.
  6. Abdullaev D.A., Seregin D.S., Vorotilov K.A., Sigov A.S. Ion beam etching of dense and porous PZT films // Ferroelectrics. – 2019. – V. 544. – № 1. – P. 75-81. – DOI 10.1080/00150193.2019.1598188.
  7. Guschina E.V., Zaitseva N.V., Delimova L.A., Seregin D.S., Vorotilov K.A. Conductive AFM study of the local current in thin ferroelectric sol-gel PZT films // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – V. 1400. – № 1. – P. 077002(1-6). – DOI 10.1088/1742-6596/1400/7/077002.
  8. Abdullaev D.A., Seregin D.S., Zubov D.N., Vorotilov K.A. Effects of vacuum-plasma etching on the electrical properties of thin ferroelectric PZT films // Proceedings of SPIE (The International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2018, Zvenigorod, Russian Federation, October 01-05, 2018). – 2019. – V. 11022. – P. 110221B(1-8). – DOI 10.1117/12.2520548.
  9. Атанова А.В., Хмелениин Д.Н., Жигалина О.М., Серегин Д.С., Воротилов K.A., Сигов А.С. Структура композиций PZT-LNO-Si, полученных методом химического осаждения из растворов // Наноматериалы и наноструктуры. – 2019. – Т. 10. – № 1. – С. 29-34. – DOI 10.18127/j22250999-201901-04.
  10. Антонович А.Н., Пахомов С.В., Петрушин А.А., Подгорный Ю.В. Влияние границ раздела пленка–электрод на токи утечки в сегнетоэлектрических конденсаторных наноструктурах Au/PZT/Pt // Наноматериалы и наноструктуры. – 2019. – Т. 10. – № 2. – С. 13-19. – DOI 10.18127/j22250999-201902-02.
  11. Абдуллаев Д.А., Зубов Д.Н., Гущина Е.В., Серегин Д.С., Воротилов K.A. Особенности микроскопии пленок цирконата-титаната свинца с микро- и наноразмерными включениями несегнетоэлектрической фазы пирохлора // Наноматериалы и наноструктуры. – 2019. – Т. 10. – № 1. – С. 43-48. – DOI 10.18127/j22250999-201901-06.
  12. Жигалина О.М., Хмелениин Д.Н., Валиева Ю.А., Колосов В.Ю., Бокуняева А.О., Кузнецов Г.Б., Воротилов K.A., Сигов А.С. Структурные особенности пленок ЦТСЛ // Кристаллография. – 2018. – Т. 63. – № 4. – С. 620-629. – DOI 10.1134/S0023476118040318 (Zhigalina O.M., Khmelenin D.N., Valieva Y.A., Kolosov V.Y., Bokuniaeva A.O., Kuznetsov G.B., Vorotilov K.A., Sigov A.S. Structural Features of PLZT Films // Crystallography Reports. – 2018. – V. 63. – № 4. – P. 646-655. – DOI 10.1134/S1063774518040314).
  13. Командин Г.А., Породинков О.Е., Спектор И.Е., Волков А.А., Воротилов К.А., Серегин Д.С., Сигов А.С. Механизмы поглощения терагерцового и инфракрасного излучения в пленках PZT // Физика твердого тела. – 2018. – Т. 60. – № 6. – С. 1214-1222. – DOI 10.21883/FTT.2018.06.46003.342 (Komandin G.A., Porodinkov O.E., Spektor I.E., Volkov A.A., Vorotilov K.A., Seregin D.S., Sigov A.S. The Mechanisms of Absorption of Terahertz and Infrared Radiation in PZT Films // Physics of the Solid State. – 2018. – V. 60. – № 6. – P. 1226-1234. – DOI 10.1134/S106378341806015X).
  14. Подгорный Ю.В., Воротилов К.А., Сигов А.С. Определение стационарного тока утечки в структурах с пленками сегнетоэлектрической керамики // Физика твердого тела. – 2018. – Т. 60. – № 3. – С. 431-434. – DOI 10.21883/FTT.2018.03.45539.02D (Podgornyi Y.V., Vorotilov K.A., Sigov A.S. Determination of the Steady State Leakage Current in Structures with Ferroelectric Ceramic Films // Physics of the Solid State. – 2018. – V. 60. – № 3. – P. 433-436. – DOI 10.1134/S1063783418030253).
  15. − Делимова Л.А., Гущина Е.В., Зайцева Н.В., Серегин Д.С., Воротилов К.А., Сигов А.С. Влияние кристаллической структуры на электрические свойства тонкопленочных PZT структур // Физика твердого тела. – 2018. – Т. 60. – № 3. – С. 547-552 (Delimova L.A., Guschina E.V., Zaitseva N.V., Seregin D.S., Vorotilov K.A., Sigov A.S. Effect of the Crystal Structure on the Electrical Properties of Thin-Film PZT Structures // Physics of the Solid State. – 2018. – V. 60. – № 3. – P. 553-558. – DOI 10.1134/S1063783418030058).
  16. Серегин Д.С., Базирувиха А.-М., Котова Н.М., Воротилов К.А., Делимова Л.А., Зайцева Н.В., Мяконьких А.В., Руденко К.В., Лукичев В.Ф. Формирование структур PZT на кремнии // Известия РАН. Серия физическая. – 2018. – Т. 82. – № 3. – С. 390-394. – DOI 10.7868/S0367676518030298 (Seregin D.S., Baziruvikha A.-M., Kotova N.M., Vorotilov K.A., Delimova L.A., Zaitseva N.V., Miakon'kikh A.V., Rudenko K.V., Lukichev V.F. Formation of PZT Structures on Silicon // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2018. – V. 82. – № 3. – P. 341-345. – DOI 10.3103/S1062873818030231).
  17. Антонович А.Н., Петрушин А.А., Лапин Д.Г., Подгорный Ю.В. Исследование контактных явлений на границе раздела PZT-Pt методом наведенного тока // Известия РАН. Серия физическая. – 2018. – Т. 82. – № 3. – С. 387-389. – DOI 10.7868/S0367676518030286 (Antonovich A.N., Petrushin A.A., Lapin D.G., Podgornyi Y.V. Investigating Contact Phenomena at a PZT–Pt Interface by Means of Induced Current // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2018. – V. 82. – № 3. – P. 338-340. – DOI 10.3103/S1062873818030048).
  18. Антонович А.Н., Петрушин А.А., Подгорный Ю.В. Исследование контактных явлений в сегнетоэлектрических конденсаторных наноструктурах Ir/PZT/Pt // Наноматериалы и наноструктуры. – 2018. – Т. 9. – № 4. – С. 28-35. – DOI 10.18127/j22250999-201804-05.