Исследования в области ранее неизученных полупроводниковых наноструктур

Исследования в области ранее неизученных полупроводниковых наноструктур

Выпуск 22 (6696) от 07 ноября 2019 г.
РУБРИКА: АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Наноструктуры, в частности нанопроволоки, известны давно, но в силу их большого разнообразия многие из этих структур до сих пор не исследованы. К изучению нанопроволок разработчиков подталкивает необходимость создания новых приборов или повышения эффективности уже существующих. Пример этого – ​последние работы японских ученых из Университета Эхимэ.

Нанопроволоки представляют собой стержнеобразные структуры диаметром, как правило, меньше нескольких сот нанометров. Из-за своего размера и строения они проявляют характеристические свойства, не встречающиеся в материалах с бóльшими объемными параметрами. Исследования в области полупроводниковых нанопроволок на соединениях типа AIIIBV вызывают в последние десятилетия большой интерес в связи с потенциальным применением этих структур в наноразмерных квантовых, фотонных и электронных приборах, а также средствах преобразования энергии и биологических приборах – ​благодаря их одномерной природе и высокому значению отношения поверхности к объему. Освоение эпитаксиальных гетероструктур облегчает управление транспортными и электронными свойствами таких приборов, демонстрируя потенциал реализации интегрированных систем на основе соединений типа AIIIBV и кремния с превосходными электронными и оптическими функциями.

Сложные полупроводниковые материалы типа AIIIBV характеризуются одними из самых высоких в мире показателями подвижности носителей заряда и эффективности фотон-электронного (светоэлектрического) преобразования. В частности, арсенид галлия (GaAs), используемый для изготовления транзисторов с высоким быстродействием, а также для высокоэффективных светодиодов, работающих в ближнем ИК-диапазоне спектра, лазеров и солнечных элементов, представляет собой типичный полупроводник типа AIIIBV. Но оптические GaAs приборы страдают от собственных потерь, связанных с выделением тепла. В последнее время для преодоления этого недостатка в данное соединение вводятся малые легирующие присадки висмута (нетоксичный, в отличие от As и Ga, элемент), в результате чего получается соединение GaAsBi. Такой подход позволяет подавить тепловыделение при одновременном повышении эффективности преобразования электронов в свет. Следовательно, включение низколегированного висмутом соединения GaAsBi в нанопроволоки – ​рациональный подход к разработке высокоэффективных оптоэлектронных наноустройств. В то же время использование разветвленных или древовидных нанопроволок позволяет повысить сложность конструкции и улучшить результирующие функции, которые, в свою очередь, дают возможность реализовать структуры с более высокой размерностью, боковой подключаемостью и взаимосвязью между нанопроволоками.



Источник: Университет Эхимэ

Наблюдения нанопроволок при помощи микроскопа. Выявлена характерная гексагональная звездная структура, а также определяемые дефектами квантовые структуры, индуцированные присутствием висмута (Bi)


Используя атомно точную методику выращивания кристаллов – ​молекулярно-лучевую эпитаксию, – ​группа исследователей Нацио-нального университета Эхимэ (г. Мацуяма, префектура Эхимэ, Япония) смогла управлять формированием Bi-стимулированных наноструктур при выращивании разветвленных нанопроволок GaAs/GaAsBi с сердечником. Таким образом, был проложен путь к получению неизученных полупроводниковых наноструктур типа AIIIBV с использованием характерного перенасыщения капель катализатора, структурных изменений, вызванных деформацией, и включения в матрицу GaAs-хозяина присадки, коррелированной с кристаллическими дефектами и ориентациями.

Ранее исследователи получили гетероструктурные GaAs/GaAsBi нанопроволоки на кремнии с концентрацией Bi на 2% меньше. Эти нанопроволоки имели специфические структурные особенности – ​шероховатую поверхность с волнообразными образованиями, вызванными, вероятно, большим несоответствием решетки и результирующим накоплением напряженности между GaAs и GaAsBi-сплавом. Кроме того, Bi при регулировании поверхностной энергии действует как поверхностноактивное вещество, тем самым провоцируя синтез наноструктур. Тем не менее ученые еще далеки от полного понимания влияния вводимого Bi на рост сплава GaAsBi. В последней работе исследователи изучали особенности и механизмы роста многослойных GaAs/GaAsBi нанопроволок с сердечником на кремниевых подложках с ориентацией (111), уделяя особое внимание структурной деформации, вызванной введением Bi. Для синтеза разветвленных нанопроволок на соединениях типа AIIIBV в качестве кристаллической затравки для роста ветвей обычно используют наночастицы металлического катализатора, чаще всего золота (Au). С другой стороны, при экспериментах использовались автокаталитические капли Ga и Bi, способные подавлять введение чужеродных примесей (не являющихся элементами формируемых структур). Когда в процессе роста наблюдался дефицит Ga, Bi накапливался в вершине сердечника GaAs нанопроволок и служил катализатором роста разветвленных структур нанопроводов по определенному кристаллическому азимуту. Существует сильная корреляция между накоплением Bi и дефектами упаковки. Кроме того, Bi предпочтительно включается при ограниченной ориентации поверхности GaAs, что приводит к пространственно избирательному включению Bi в ограниченную область, концентрация Bi в которой на 7% превышает фундаментальный предел. В итоге образуется гетероструктура GaAs/GaAsBi/GaAs с интерфейсом, определяемым кристаллическими двойными дефектами одного атомного слоя, которые потенциально могут быть применены к квантово-ограниченной структуре.

Полученные данные обеспечивают рациональную концепцию проектирования для создания наноструктур на основе GaAsBi и указывают на потенциал использования новой полупроводниковой наноструктуры для создания эффективных приборов, работающих в ближнем ИК-диапазоне спектра и в квантовой электронике.


Davis Shannon. Paving a Way to Achieve Unexplored Semiconductor Nanostructures. Semiconductor Digest journal, October 18, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/10/18/paving-a-way-to-achieve-unexplored-semiconductor-nanostructures/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.
Выпуск 17(6741) от 02 сентября 2021 г. г.