Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Science in Semiconductor Processing. Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования РФ.
Нитрид галлия (GaN) и родственные ему полупроводниковые соединения III группы с азотом широко применяются при создании микросветодиодов, нанолазеров и других светоизлучающих устройств. Однако интеграция таких материалов с кремнием — основой современной микроэлектроники — остаётся технологически сложной задачей из-за различий в кристаллических решётках.
В частности, нитевидные нанокристаллы GaN при выращивании на поверхности кремния Si (100) отклоняются от нормали к подложке примерно на 55°. Такая ориентация существенно осложняет последующую обработку структур и формирование электрических контактов, а значит, затрудняет создание гибридных устройств на кремниевой основе.
Ранее для борьбы с наклонным ростом использовались литографическое маскирование, химическое травление и лазерный перенос. Эти подходы позволяют управлять формированием наноструктур, но требуют сложных многоступенчатых технологических процессов.
Исследователи СПбГУ и других научных организаций предложили другой вариант — перед выращиванием нанокристаллов электрохимическим травлением формировать на поверхности кремния тонкий пористый слой с упорядоченными наноразмерными отверстиями.
«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», — рассказал младший научный сотрудник кафедры физики твердого тела СПбГУ Альберт Даутов.
Структурный и оптический анализ показал, что на пористом кремнии нанокристаллы действительно преимущественно ориентируются вертикально. При этом интенсивность их излучения увеличилась более чем в три раза по сравнению с неупорядоченными наклонными нанокристаллами, выращенными на монолитном кремнии Si (100).
Одновременно у вертикально ориентированных структур заметно уменьшилась ширина спектральных линий излучения. В совокупности с результатами других методов анализа это свидетельствует об улучшении структурного качества нанокристаллов.
«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», — отметил научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Владислав Гридчин.
Исследователи также разработали качественную модель, объясняющую механизм ориентационного отбора. Следующим этапом станет её развитие до количественного уровня. Это должно позволить более точно управлять направлением роста нанокристаллов за счёт целенаправленного проектирования параметров пористого шаблона.
В перспективе такой подход может упростить создание гибридных оптоэлектронных устройств непосредственно на стандартных кремниевых пластинах. Если исследователям удастся обеспечить воспроизводимое управление ориентацией и масштабировать технологию, пористый слой потенциально сможет заменить часть сложных операций, которые сегодня используются для совмещения нитридных полупроводников с кремниевой технологией.
Таким образом, проблема GaN на кремнии может решаться не изменением самого материала нанокристаллов, а управлением условиями их роста на поверхности подложки. Следующий технологический вопрос — насколько хорошо такой «нанопористый шаблон» будет работать при масштабировании от лабораторных образцов к большим кремниевым пластинам.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
