Физики Института проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербургского государственного университета, Высшей школы экономики и Академического университета имени Ж.И. Алферова изучили механизм формирования трехмерных структур на перспективном полупроводниковом сплаве индий-галий-нитрид. Исследование поможет разработке нового поколения непланарных оптоэлектронных устройств в области электроники и связи.

Результаты исследования опубликованы в ACS Applied Nano Materials.

InGaN (индий-галий-нитрид) – сплав представляет собой полупроводниковый материал, состоящий из смеси нитридов галлия и индия. На основе этого сплава сделаны белые и синие светодиоды. Этот материал перспективен для создания газовых сенсоров, элементов солнечных батарей, ячеек для синтеза водорода, красных, зелёных и белых светодиодов, а также многого другого. Тем не менее, сейчас материал не используется широко, поскольку слои InGaN сложно синтезировать из-за явления «разрыва растворимости”. Это явление характеризуется тем, что InGaN нестабилен и распадается на отдельные фазы InN и GaN. А интегрировать его с кремниевой платформой затруднительно из-за различия постоянных кристаллических решёток между этими материалами.

Решить эти проблемы может синтез материала прямо на поверхности кремния в сложной форме, в виде нитевидных нанокристаллов, наноцветов и других форм. Такой вариант синтеза сплава также значительно расширяет потенциал применения этого материала для создания приборов. Совместные исследования физиков Санкт-Петербургского университета, Академического университета имени Ж.И. Алферова, Института проблем машиноведения РАН и Высшей школы экономики позволили понять механизм формирования этих сложных трехмерных наноструктур, без чего невозможен их синтез.

«Мы впервые смогли объяснить сложный механизм формирования трёхмерных (непланарных) структур на основе материала InGaN, применив научный и систематический подходы к описанию процессов роста этой структуры. На основе таких соединений в лаборатории СПбГУ уже создаются прототипы светодиодов, газовых сенсоров, ячеек для разложения воды и другое. Понимание механизмов формирования этих сложных трехмерных наноструктур может способствовать разработке нового поколения непланарных оптоэлектронных устройств», — рассказал руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.

По его словам, данное соединение получается методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) — методом, который позволяет выращивать гетероструктуры с заданными свойствами в условиях сверхвысокого вакуума. Метод позволяет создавать эффективные приборы нового поколения.

В случае синтеза нитридных соединений с помощью исследовательской установки процесс синтеза методом молекулярно-пучковой эпитаксии достаточно долгий, однако на выходе получается большая пластина, которая может быть нарезана на сотни маленьких частей, каждая из которых является основой для прибора.

Руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН Сергей Кукушкин занимался построением теоретической модели сложного явления — образования наноцветов соединиения InGaN.

Процесс роста нанокристаллов InGaN на кремнии методом МПЭ является сложным и многостадийным. Он включает в себя самопроизвольное «строительство» наноструктур, состоящих из пустотелого трубчатого нанокристалла, покрытого кристаллической «шляпкой». Этот процесс происходит без вмешательства извне.

Причина, по которой происходит рост разветвленных наноструктур, похожих на букет цветов, заключается в том, что атомы индия, входящие в твердый раствор InGaN, имеют размер значительно больший, чем атомы галлия. Кроме того, нитрид индия хорошо разлагается на атомы индия и азота при температуре роста.

В результате разложения нитрида индия образуются капли металлического индия, которые легко испаряются с подложки. Поскольку параметры решетки подложки больше параметров решетки твердого раствора, то в слое твердого раствора возникают растягивающие упругие напряжения. Индий стремится компенсировать это напряжение и движется в сторону максимального растяжения кристалла.

«В процессе роста атомы индия, испаряющиеся с металлического индия, движутся внутри полости. А с увеличением высоты нанокристалла влияние подложки уменьшается, и на поверхности нанокристалла формируется «шляпка», состоящая из твердого раствора индия и галлия с преобладанием индия. По мере разрастания диаметр «шляпки» увеличивается и начинает превосходить диаметр нанокристалла. В результате «шляпка» начинает «питаться» и газовой фазы. При этом наибольшую скорость роста имеют только определенные грани кристалла», — объяснил Сергей Кукушкин.

Ученые лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН более 20 лет занимаются исследованием наноматериалов на основе кремния. Был создан принципиально новый вид выращивания монокристаллического карбида кремния на кремнии, который может привести к созданию нового типа электродов большой ёмкости.