Пористая подложка помогла вырастить вертикальные массивы нанонитей нитрида галлия

Российские физики научились выращивать преимущественно вертикальные нанонити нитрида галлия на пористой кремниевой подложке. На обычном кремнии такие нанонити обычно росли под углом к поверхности, но геометрия пор позволила направить их рост перпендикулярно подложке. Как сообщается в пресс-релизе, который предоставила N + 1 пресс-служба Санкт-Петебургского государственного университета, полученные нанонити отличались высоким структурным качеством: их фотолюминесценция стала более чем втрое интенсивнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.

Нитрид галлия (GaN) — полупроводник, который используют для создания оптоэлектронных устройств, например, светодиодов и фотодетекторов. Тонкие длинные нанокристаллы (нанонити) из этого материала можно выращивать на подложке массивами и сразу использовать как элементы фотоэлектронных устройств. Однако при выращивании нитрида галлия на кремниевых подложках нанонити склонны расти под углом примерно 55 градусов к поверхности. Это затрудняет создание регулярных вертикальных массивов и интеграцию таких структур с кремниевой электроникой. 

Российские физики под руководством Альберта Даутова (Albert M. Dautov) из Санкт-Петербургского государственного университета решили использовать для роста нанонитей пористый кремний. Сначала они электрохимически протравили кремниевую подложку, получив на ней несквозные поры, а затем вырастили нанонити стандартным методом плазменно-активированной молекулярно-лучевой эпитаксии. Ученые работали с порами разного размера, а контрольный образец получили на стандартном непористом кремнии. 

Рентгеновская дифракция показала, что на пористых подложках нанонити преимущественно росли перпендикулярно поверхности, тогда как на гладком кремнии оставались наклонными. Поры на подложке действовали как направляющие структуры, которые вынуждали нитевидные нанокристаллы расти вверх, а не в стороны. В то же время поры влияли на размеры и ориентацию нанонитей. Самые однородные вертикальные массивы формировались в порах глубиной около 23 нанометров и диаметром около 35 нанометров. В более крупных порах, глубиной около 49 нанометров и диаметром около 92 нанометров, доля наклонных нанонитей возрастала. А в еще более крупных порах — около 144 нанометров в глубину и 158 нанометров в диаметре — механизм роста менялся: сначала внутри поры образовывался промежуточный слой, а уже затем на нем росли более тонкие нанонити.

Авторы предложили следующее объяснение: в небольшой поре зарождающийся кристалл одновременно контактирует с дном и стенками. Если положение зародыша симметрично, то влияние стенок компенсируется, и рост продолжается перпендикулярно поверхности. При слишком большом размере поры положение зародыша может быть несимметричным. Из-за этого нанонить отклоняется от вертикали. 

Выращенные на пористых подложкках массивы нанонитей оказались не только лучше ориентированы, но лучше закристаллизованы. В частности, фотолюминесценция стала втрое интенсивнее, чем у контрольного образца на гладком кремнии. При этом пик фотолюминесценции стал уже, что свидетельствует о высокой кристалличности полученных нанонитей.

Таким образом, нанопоры сработали как естественные «шаблоны» для зарождения и роста кристаллов без использования сложного оборудования. Новый метод можно будет применять для создания светодиодов и других устройств.

В прошлом году мы рассказывали о работе китайских ученых, которые остановили утечку дырок в перовскитном светодиоде.