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. 

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». 
УрФУ — один из ведущих университетов России и участник проекта 5-100, отмечает в 2020 году столетие. Вуз расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных студенческих игр 2023 года. УрФУ выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука». 

Фото: поверхность эпитаксиального слоя сформирована плотной упаковкой блоков (мозаичная структура). Иллюстрация: Applied Surface Science.​ 

Источники

Физики вырастили полупроводниковые пленки на "податливых" подложках
Уральский федеральный университет (urfu.ru), 02/11/2020
Физики вырастили полупроводниковые пленки на "податливых" подложках
Научная Россия (scientificrussia.ru), 06/11/2020

Похожие новости

  • 24/12/2020

    Алексей Гоголев: «Мы сумели выполнить все обязательства и не снизить планку»

    И.о. руководителя Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ рассказал о достижениях коллектива школы в 2020 году, планах и задачах на следующий год.  2020 год в силу понятных причин стал для нас крайне непростым, но мы достойно выдержали удар, сумев выполнить все обязательства по грантам, программам, не допустить снижения основных индикаторов исследовательской деятельности.
    882
  • 20/08/2019

    Физики из Франции, США и РФ изучат формирование и спектры озона

    Команда физиков из Франции, США, и России (Томск, ТГУ) исследует механизмы формирования и распада озона (O3), его характеристики и свойства на молекулярном уровне при взаимодействии с радиацией. Полученные результаты помогут осуществлять контроль качества озонового слоя, который участвует в формировании атмосферы и климата Земли, влияет на качество воздуха, охраняет планету от жесткого ультрафиолетового излучения.
    691
  • 09/04/2021

    Постдок ИРНИТУ Андрей Львов выиграл грант РНФ

    ​​Постдок Иркутского политеха, ведущий научный сотрудник кафедры химии и пищевой технологии Андрей Львов выиграл грант Российского научного фонда (РНФ) на проведение поисковых научных исследований по теме «Необратимая фотоперегруппировка диарилэтенов в полимерной химии».
    439
  • 05/12/2017

    Ученые ТГУ приняли участие в международной конференции, посвященной высокоэнергетическим материам

    ​В Японии на базе Университета Тохоку (г. Сендай) прошла ХIII международная конференция HEMs-2017 "Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение".
    1594
  • 09/07/2020

    Физики изучают возможность генерации «закрученных» поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах

    ​​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    2340
  • 08/04/2021

    Сотрудники ИРНИТУ исследовали эффективность наземных и беспилотных электромагнитных зондирований на льду Байкала

    Сотрудники института ИРНИТУ провели испытания двух новых вариантов технологий электромагнитах зондирований - ЭМЗ-ВП (EMS-IP) и БПЛА-МПП (UAV-TEM) в районе посёлка Большое Голоустное. Проект развивает коллектив института «Сибирская школа геонаук» (SSG).
    198
  • 31/07/2018

    Пирамида Хеопса может концентрировать радиоволны

    ​Пирамида Хеопса может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под своим основанием. К такому выводу пришли ученые, воздействовавшие на пирамиду радиоволнами, чтобы исследовать ее резонансный электромагнитный отклик.
    5240
  • 08/05/2019

    Ученые ТПУ и Италии исследуют новые композитные материалы на основе сахарного тростника

    ​Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Италии, Канады и Германии изучили теплофизические характеристики образцов новых композиционных материалов из органических волокон на основе сахарного тростника.
    947
  • 15/09/2020

    Физики впервые создали модель для предсказания свойств любых молекул

    Группа ученых-физиков под руководством доцента ФФ ТГУ Рашида Валиева создала новую модель для расчета фотофизических характеристик молекул, которая применима для молекул любой природы, в том числе редкоземельных лантаноидов.
    731
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    2077