Природа больше не сопротивляется: как крошечные отверстия решают главную проблему микроэлектроники

В производстве светодиодов и фотодетекторов критически важна геометрия: элементы должны стоять строго вертикально, чтобы эффективно интегрироваться в кремниевые схемы. Однако нитрид галлия (GaN) при росте на обычном кремнии ведет себя своенравно — нанонити отклоняются от поверхности под углом примерно 55 градусов. Эта разница в несколько десятков градусов превращает создание регулярного массива в проблему. Физики из Санкт-Петербургского государственного университета под руководством Альберта Даутова нашли способ "дисциплинировать" кристаллы, используя пористую структуру подложки.

Принципиальное различие здесь заключается в механизме зарождения кристалла. На гладком кремнии нанонить растет хаотично, но в поре она оказывается зажата в пространстве. Исследователи применили электрохимическое травление, чтобы создать в кремнии несквозные отверстия, а затем вырастили в них нанонити методом плазменно-активированной молекулярно-лучевой эпитаксии.

Результаты рентгеновской дифракции показали, что поры работают как физические ограничители. Ключевым фактором стал размер "ловушки". Наилучшая вертикальная ориентация достигалась в порах диаметром около 35 нм и глубиной 23 нм. В этом объеме зародыш кристалла контактирует одновременно с дном и стенками: если он расположен симметрично, влияние стенок уравновешивается, и нить растет строго вверх.

Когда размер поры увеличивается, симметрия нарушается. В отверстиях диаметром 92 нм и глубиной 49 нм доля наклонных нитей снова возрастает. В самых крупных порах (диаметр 158 нм, глубина 144 нм) механизм роста меняется качественно: вместо прямой нити сначала формируется промежуточный слой, на котором затем вырастают более тонкие структуры.

Точность ориентации напрямую повлияла на физические свойства материала. Массивы, выращенные в малых порах, продемонстрировали более высокую кристалличность. Это подтверждает анализ фотолюминесценции: её интенсивность выросла более чем в три раза по сравнению с контрольным образцом на гладком кремнии, а сам пик излучения стал уже.

Использование нанопор в качестве естественных шаблонов позволяет избежать сложного оборудования для выравнивания кристаллов. По сути, геометрия подложки заменила собой активный контроль процесса, обеспечив структурное качество, необходимое для создания компактных оптоэлектронных устройств.