Ученые Санкт-Петербургского университета совместно с коллегами из других научных центров впервые продемонстрировали возможность управления ориентацией нитевидных нанокристаллов из нитрида галлия на кремниевой пластине с помощью пористого слоя. Предложенный метод улучшит структурное и оптическое качество подобных нанокристаллов и позволит решить проблему их наклонного роста. Работа выполнена в рамках гранта Министерства науки и высшего образования РФ.
Нитрид галлия и родственные ему полупроводники (соединения III группы таблицы Менделеева с азотом) — одни из наиболее востребованных материалов для создания микросветодиодов, нанолазеров и других светоизлучающих устройств. Однако формирование таких полупроводников на промышленно значимых кремниевых подложках, которые являются основой современной микроэлектроники, сталкивается с ограничениями.
Из‑за различий в кристаллических решетках нитевидные нанокристаллы нитрида галлия на поверхности кремния Si (100) растут не перпендикулярно поверхности, а под углом около 55°. По словам ученых СПбГУ, это приводит к серьезным технологическим сложностям: стандартные методы обработки и формирования электрических контактов оказываются неприменимы, что делает интеграцию таких структур с микроэлектроникой на кремнии практически невозможной. Ранее существовавшие методы борьбы с таким эффектом, например литографическое маскирование, химическое травление или лазерный перенос, требовали сложных и дорогих многоступенчатых процессов.
Исследователи Санкт‑Петербургского университета и других научных организаций предложили электрохимическим травлением формировать тонкий слой кремния с упорядоченными наноразмерными отверстиями (нанопорами) на поверхности кремния.
Такие нанопоры служат естественными «шаблонами» для зарождения и роста кристаллов. Иными словами, они действуют как направляющие структуры, которые вынуждают нитевидные нанокристаллы расти вверх, а не в стороны. Создание пористого слоя не требует использования сложного оборудования, поэтому наш подход позволяет обойтись без многоэтапных литографических операций и лазерной обработки.
Младший научный сотрудник кафедры физики твердого тела СПбГУ Альберт Даутов
В результате структурного и оптического анализа ученые Университета установили, что полученные нитевидные нанокристаллы действительно преимущественно ориентированы вертикально, а интенсивность излучения света из них увеличилась более чем в три раза по сравнению с неупорядоченными наклонными нанокристаллами на монолитном кремнии Si (100). При этом ширина спектральных линий излучения у вертикальных структур заметно сузилась, что свидетельствует о более высоком структурном совершенстве и меньшем количестве дефектов.
Мы показали, что улучшение оптических свойств связано не с увеличением числа излучающих центров, а именно с повышением кристаллического качества самих наноструктур. Это подтверждается как узкой полосой излучения, так и данными спектроскопии комбинационного рассеяния света.
Научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Владислав Гридчин
Исследователи также предложили качественную модель, объясняющую механизм ориентационного отбора, и в дальнейшем планируют развить ее до количественного уровня, что даст возможность строго управлять ориентацией роста нанокристаллов и откроет путь к целенаправленному дизайну шаблонов.
В исследовании вместе с учеными СПбГУ участие приняли сотрудники Академического университета имени Ж. И. Алфёрова РАН, Института аналитического приборостроения РАН, Московского центра перспективных исследований, СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и СПбПУ Петра Великого.
По словам университетских ученых, в перспективе этот метод может привести к созданию гибридных устройств непосредственно на стандартных кремниевых пластинах, без дополнительных дорогостоящих операций.
