Исследователи Санкт-Петербургского университета совместно с коллегами из других научных центров впервые продемонстрировали возможность управления ориентацией нитевидных нанокристаллов из нитрида галлия на кремниевой пластине. Нитрид галлия и родственные полупроводники — одни из самых востребованных материалов для микросветодиодов, нанолазеров и светоизлучающих устройств. Однако их формирование на промышленно значимых кремниевых подложках осложняется различиями кристаллических решёток: на поверхности кремния Si (100) нанокристаллы растут не вертикально, а под углом около 55°, что делает интеграцию с микроэлектроникой практически невозможной. Работа выполнена в рамках гранта Минобрнауки РФ, результаты опубликованы в Materials Science in Semiconductor Processing.
Ранее для борьбы с наклонным ростом применяли литографическое маскирование, химическое травление или лазерный перенос — сложные и дорогостоящие многоступенчатые процессы. Учёные предложили формировать тонкий слой кремния с упорядоченными наноразмерными отверстиями (нанопорами) с помощью электрохимического травления. Эти нанопоры служат естественными «шаблонами» для зарождения и роста кристаллов, действуя как направляющие структуры, которые вынуждают нанокристаллы расти вверх, а не в стороны. Создание пористого слоя не требует сложного оборудования и позволяет обойтись без многоэтапных литографических операций.
Структурный и оптический анализ показал, что полученные нанокристаллы преимущественно ориентированы вертикально, а интенсивность их излучения выросла более чем в три раза по сравнению с неупорядоченными наклонными структурами на монолитном кремнии. Ширина спектральных линий заметно сузилась, что свидетельствует о более высоком структурном совершенстве и меньшем числе дефектов. Как отметил научный сотрудник Владислав Гридчин, улучшение оптических свойств связано не с увеличением числа излучающих центров, а именно с повышением кристаллического качества самих наноструктур.
Исследователи предложили качественную модель ориентационного отбора и планируют развить её до количественного уровня, что позволит строго управлять ориентацией роста нанокристаллов и целенаправленно проектировать шаблоны. В перспективе метод может привести к созданию гибридных устройств непосредственно на стандартных кремниевых пластинах без дополнительных дорогостоящих операций. Это открывает путь к интеграции светоизлучающих элементов с кремниевой микроэлектроникой и созданию новых оптоэлектронных устройств.
Изображение: Magnific
