В СПбГУ разработали новый способ создания нанокристаллов для лазеров.

Результаты исследования были опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Nanoscale Horizons. Сплав InGaN (индий-галлий нитрид), который в настоящее время используется в силовой электронике и светодиодах, также обладает большим потенциалом для газовых сенсоров, солнечных панелей и водородных ячеек. Однако его широкое применение ограничено из-за сложностей в синтезе стабильного слоя.

Недавно ученые из Санкт-Петербургского университета подробно изучили механизмы формирования трехмерных (непланарных) структур на основе InGaN, применив научные и систематические подходы для описания процессов роста этих структур. На базе таких соединений в СПбГУ уже разрабатываются прототипы светодиодов, газовых сенсоров, ячеек для разложения воды и других устройств.

Как отмечают физики, в привычной научному миру «планарной» форме сложные микроэлектронные структуры создаются на плоской поверхности несколькими последовательными этапами нанесения материалов, травления и литографии, чтобы сформировать различные слои и компоненты устройства. Однако для InGaN создание таких «плоских» структур традиционным способом оказывается невозможным.

Из-за эффекта разрыва растворимости получение слоев InGaN с высоким содержанием индия (In) связано с распадом этого материала на отдельные фазы и образованием большого количества дефектов. Кроме того, рассогласование решеток этих материалов также приводит к возникновению дефектов. Все это значительно ухудшает работоспособность приборов, использующих такие структуры.

Физики Санкт-Петербургского университета открыли новый механизм формирования нанокристаллов на основе InGaN непосредственно на поверхности кремния.

«В частности, мы впервые объяснили новый механизм формирования нитевидных нанокристаллов InGaN, обладающих спонтанно сформированной структурой типа “стержень-оболочка”. Результаты экспериментальных исследований показали, что процентное содержание In в стержне нанокристалла может достигать около 40 процентов и выше, а в оболочке — около четырех процентов. Важно отметить, что достичь такого высокого содержания индия в качественных InGaN слоях крайне сложно, но нам это удалось», – рассказал автор разработки, руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.

Увеличение содержания индия в InGaN изменяет длину волны (то есть цвет излучения) таких наноструктур, что значительно расширяет возможности применения этого материала в создании новых эффективных светодиодов, лазеров, солнечных панелей и многого другого. Интенсивное излучение от полученных учеными наноструктур свидетельствует о высоком оптическом качестве нового материала.

«Результаты теоретических исследований впервые показали, что образование гетероструктур типа «стержень-оболочка» в бескатализных нитевидных нанокристаллах InGaN связано с периодическими изменениями условий роста на вершине таких наноструктур. Оказалось, что соотношение атомов III и V групп таблицы Менделеева на вершине меняется даже во время роста одного монослоя такой наноструктуры», – пояснил руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.

По словам физика университета, на первом этапе роста нанокристалла условия сбалансированы, что позволяет преодолеть эффект разрыва растворимости и формировать стержень нанокристалла, обогащенный индийом. Затем условия меняются на обогащенные III группой, и механизм формирования оболочки также меняется. При этом оболочка может быть эффективно удалена химическими методами без ухудшения качества стержня.

Отметим, что сотрудники лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ занимаются изучением новых материалов для микроэлектроники: источников одиночных фотонов, эффективных светодиодов, солнечных элементов, лазеров, нанопьезогенераторов, а также интегрируют их с кремниевой платформой. Все эти достижения — продолжение работ по совершенствованию квантовых технологий для микроэлектроники, заложенной двумя нобелевскими лауреатами: выпускником СПбГУ, нобелевским лауреатом по химии Алексеем Екимовым и организатором и ректором СПбАУ Жоресом Алферовым. Подробнее о своей работе Родион Резник рассказывал в подкасте СПбГУ «Генрих Терагерц».