Ученые ИПМаш РАН объяснили механизм формирования материалов для нового поколения оптоэлектронных устройств

Физики Института проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербургского государственного уни-верситета, Высшей школы экономики и Академического университета имени Ж.И. Алферова изучили механизм формирования трехмерных структур на перспективном полупроводнико-вом сплаве индий-галий-нитрид. Исследование поможет разработке нового поколения непла-нарных оптоэлектронных устройств в области электроники и связи.
Результаты исследования опубликованы в ACS Applied Nano Materials.
InGaN (индий-галий-нитрид) – сплав представляет собой полупроводниковый материал, состо-ящий из смеси нитридов галлия и индия. На основе этого сплава сделаны белые и синие свето-диоды. Этот материал перспективен для создания газовых сенсоров, элементов солнечных ба-тарей, 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 кремние-вой платформой затруднительно из-за различия постоянных кристаллических решёток между этими материалами.

Решить эти проблемы может синтез материала прямо на поверхности кремния в сложной фор-ме, в виде нитевидных нанокристаллов, наноцветов и других форм. Такой вариант синтеза спла-ва также значительно расширяет потенциал применения этого материала для создания прибо-ров. 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 описа-нию процессов роста этой структуры. На основе таких соединений в лаборатории СПбГУ уже со-здаются прототипы светодиодов, газовых сенсоров, ячеек для разложения воды и другое. Пони-мание механизмов формирования этих сложных трехмерных наноструктур может способство-вать разработке нового поколения непланарных оптоэлектронных устройств», - рассказал руко-водитель 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 по-коления.
В случае синтеза нитридных соединений с помощью исследовательской установки процесс син-теза методом молекулярно-пучковой эпитаксии достаточно долгий, однако на выходе получа-ется большая пластина, которая может быть нарезана на сотни маленьких частей, каждая из ко-торых является основой для прибора.
Руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН Сергей Кукушкин занимался построением теоретической модели сложного явле-ния - образования наноцветов соединиения InGaN.
Процесс роста нанокристаллов InGaN на кремнии методом МПЭ является сложным и многоста-дийным. 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 значи-тельно больший, чем атомы галлия. Кроме того, нитрид индия хорошо разлагается на атомы ин-дия и азота при температуре роста.
В результате разложения нитрида индия образуются капли металлического индия, которые лег-ко испаряются с подложки. Поскольку параметры решетки подложки больше параметров ре-шетки твердого раствора, то в слое твердого раствора возникают растягивающие упругие напряжения. Индий стремится компенсировать это напряжение и движется в сторону макси-мального растяжения кристалла.
«В процессе роста атомы индия, испаряющиеся с металлического индия, движутся внутри поло-сти. А с увеличением высоты нанокристалла влияние подложки уменьшается, и на поверхности нанокристалла формируется «шляпка», состоящая из твердого раствора индия и галлия с преоб-ладанием индия. По мере разрастания диаметр «шляпки» увеличивается и начинает превосхо-дить 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.