В СПбГУ объяснили механизм формирования материалов для нового поколения оптоэлектронных устройств

Физики СПбГУ совместно с коллегами из других научно-образовательных организаций Петербурга, изучили механизм формирования трехмерных структур на перспективном полупроводниковом сплаве индий-галий-нитрид. Исследование поможет разработке нового поколения непланарных оптоэлектронных устройств в области электроники и связи.

Результаты исследования опубликованы в ACS Applied Nano Materials. InGaN – сплав (индий-галий-нитрид) представляет собой полупроводниковый материал, состоящий из смеси нитридов галлия и индия. На основе этого сплава сделаны белые и синие светодиоды. Однако он перспективен для создания газовых сенсоров, элементов солнечных батарей, ячеек для синтеза водорода, красных, зелёных и белых светодиодов, а также многого другого.

Сегодня материал не используется повсеместно, поскольку слои InGaN в широком диапазоне составов синтезировать затруднительно из-за явления «разрыва растворимости». Это явление характеризуется тем, что InGaN нестабилен и распадается на отдельные фазы InN и GaN). А интегрировать с кремниевой платформой затруднительно из-за различия постоянных кристаллических решеток между этими материалами.

Решить эту проблему может синтез материала прямо на поверхности кремния в сложной форме, в виде нитевидных нанокристаллов, наноцветов и других форм. Такой вариант синтеза сплава также значительно расширяет потенциал применения этого материала для создания приборов. Однако, как отмечают физики, для наиболее полного использования такого варианта необходимо понимание механизмов формирования этих сложных трехмерных наноструктур, именно их смогли определить физики Санкт-Петербургского университета совместно с исследователями Академического университета имени Ж. И. Алферова, Института проблем машиноведения РАН и Высшей школы экономики.

«Мы впервые смогли объяснить сложный механизм формирования трехмерных (непланарных) структур на основе материала InGaN, применив научный и систематический подходы к описанию процессов роста этой структуры. На основе таких соединений в лаборатории СПбГУ уже создаются прототипы светодиодов, газовых сенсоров, ячеек для разложения воды и другое. Понимание механизмов формирования этих сложных трехмерных наноструктур может способствовать разработке нового поколения непланарных оптоэлектронных устройств», – рассказал руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.

По его словам, данное соединение получается методом молекулярно-пучковой эпитаксии- методом, который позволяет выращивать гетероструктуры с заданными свойствами в условиях сверхвысокого вакуума. Метод позволяет создавать эффективные приборы нового поколения.

В случае синтеза нитридных соединений с помощью исследовательской установки процесс синтеза методом молекулярно-пучковой эпитаксии достаточно долгий, однако на выходе получается большая пластина, которая может быть нарезана на сотни маленьких частей, каждая из которых является основой для прибора.

«Мы провели систематическую работу по синтезу наноструктур и исследованию их свойств на различных этапах роста. Другими словами, мы синтезировали серию образцов, где рост каждого из них останавливался на определённом этапе формирования наноструктур. Затем физические свойства каждого образца исследовали с помощью уникального оборудования. Результаты исследований позволили получить представление о механизмах формирования InGaN наноструктур сложной формы, а также определить параметры для теоретического описания процессов роста, который также был выполнен в рамках работы» – отметил младший научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ , первый автор публикации Владислав Гридчин.

Исследование проводилось с использованием передового научного оборудования лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, совместно с учеными ВШЭ, СПбАУ, ИПМаш РАН.

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».