Физики СПбГУ нашли способ задавать направление роста нанокристаллов на кремнии

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», — рассказал 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», — отметил 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.

По словам университетских ученых, в перспективе этот метод может привести к созданию гибридных устройств непосредственно на стандартных кремниевых пластинах, без дополнительных дорогостоящих операций.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Materials Science in Semiconductor Processing.

Изображение сгенерировано нейросетью, пресс-служба СПбГУ