Новости

2 ноября, 2020 21:08

Физики вырастили полупроводниковые пленки на «податливых» подложках

Ученые Уральского федерального университета и Воронежского государственного университета при поддержке Российского научного фонда придумали способ, как вырастить низкодефектные пленки полупроводников группы GaAs на кремниевых подложках. Применяя этот способ к разным материалам, в будущем можно будет создавать новые эффективные элементы для солнечных батарей, светодиодов и компьютеров. Результаты исследования опубликованы в Applied Surface Science.
Источник: Пресс-служба РНФ
Поверхность эпитаксиального слоя сформирована плотной упаковкой блоков (мозаичная структура). Источник: Author links open overlay panelP.V.Seredin et al / Applied Surface Science, 2020
3 / 4
Источник: Пресс-служба РНФ
Поверхность эпитаксиального слоя сформирована плотной упаковкой блоков (мозаичная структура). Источник: Author links open overlay panelP.V.Seredin et al / Applied Surface Science, 2020

Идея соединить в одном приборе важнейшие для современной электроники полупроводники — кремний Si и арсенид галлия GaAs — давно возникла в физике наногетероструктур. Свойства арсенида галлия позволяют применять его в мощных полупроводниковых лазерах и других оптоэлектронных приборах. Кроме того, этот материал устойчив к радиации, а значит, может использоваться и в космосе. Однако арсенид галлия уступает кремнию по ряду характеристик. Совмещение соединений элементов третьей и пятой групп Периодической таблицы (обобщенно их называют AIIIBV-соединения), таких как полупроводники группы GaAs, с кремниевыми подложками — уникальный шанс объединить преимущества передовых полупроводниковых материалов с возможностями кремниевой технологии.

До сих пор известные способы выращивания пленок арсенида галлия на кремниевой подложке не срабатывали из-за разницы в параметрах кристаллических решеток материалов — размеры элементарных ячеек у них значительно отличаются, что приводит к формированию дефектов. Не меньшую проблему представляет разница в коэффициентах температурного расширения материалов: даже если осаждение молекул арсенида галлия на кремниевую подложку проходит успешно, остывают слои по-разному, и образуются трещины.

Справиться с этим, как показали ранее исследования физиков УрФУ и ВГУ, в некоторых случаях помогает дополнительный слой кремния — но не обычного, а пористого. Подложку с таким дополнительным слоем называют «податливой», так как пористый кремний подстраивается под кристаллическую решетку следующего слоя, и число дефектов сокращается. Но этот метод тоже не идеален — использование макро- и мезопористого кремния не всегда спасает. В новом исследовании ученые пошли дальше и объединили в структуру податливой подложки пористый кремний и сверхструктурный слой на основе AIIIBV. Сверхструктурный слой, или дополнительный уровень организации материала, образован за счет слоевого упорядочения атомов в элементарной ячейке.

Новая технология роста интегрированных гетероструктур включает обработку кремниевой подложки, формирование слоя пористого кремния и последующее осаждение на него тонких слоев полупроводников из газообразной фазы. Исследования полученных гетероструктур GaAs/Si несколькими структурно-спектроскопическими методами показали, что введение в состав податливой подложки сверхструктурного слоя нивелирует ряд негативных эффектов эпитаксиального роста (направленного роста одного кристалла на поверхности другого). В пленках образуется меньше дефектов, чем при традиционной технологии. Кроме того, новый способ позволяет сократить число технологических операций по росту переходных буферных слоев.

«Мы считаем, что использование сверхструктурного слоя — ключевой фактор в более эффективном перераспределении напряжений в гетероструктурах, — отмечает ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра „Наноматериалы и нанотехнологии“ УрФУ, заведующий кафедрой физики твердого тела и наноструктур физического факультета Воронежского государственного университета Павел Середин. — Конечно же, здесь еще очень много работы. Но мы полагаем, что использование податливых подложек, в которые введены такие дополнительные слои, позволит улучшить структурные и морфологические свойства эпитаксиальной пленки, а также добиться ее хороших оптических характеристик. Еще одна интересная идея в этой области, которую мы хотели бы реализовать, — использование податливых подложек для объединения AIIIBV-полупроводниковых систем в одномерной форме с кремниевой схемой обработки сигналов. Вместе с коллегами из РАН мы подготовили заявку на один из конкурсов Президентской программы грантов РНФ и надеемся осуществить давнюю мечту оптического сообщества».


29 марта, 2024
Российские ученые обучили ИИ подбирать эффективную защиту для глаз от лазерного излучения
Российские ученые разработали нейросеть для быстрой оценки способности материалов блокировать опас...
28 марта, 2024
В ИТМО создали более долговечные синие перовскитные светодиоды
Ученые ИТМО нашли новый способ получения синего излучения у перовскитных нанокристаллов. Он позвол...