Исследователи из Уральского федерального университета и Воронежского государственного университета при содействии Российского научного фонда открыли инновационный способ выращивания полупроводниковых пленок GaAs на кремниевых (Si) подложках с низким уровнем дефектов. Эта уникальная методика позволяет создавать новые технологичные элементы для солнечных панелей, светодиодов и вычислительной техники, обеспечивая прочный фундамент для развития современной электроники.
Соединение потенциала GaAs и Si: перспективы для техники будущего
Мечта объединить ключевые материалы современной электроники — кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs) — давно манит ученых, занимающихся наногетероструктурами. Кремний остается ядром всех микропроцессоров благодаря широкой технологической базе, а свойства арсенида галлия делают его незаменимым в мощных лазерных устройствах и оптоэлектронных приборах. GaAs отлично противостоит радиации, что позволяет использовать его даже в космических условиях, — это открывает новые горизонты для сложнейших приборов. Но у арсенида галлия есть свои ограничения, и только синергия с кремнием раскрывает новые пути для развития элементной базы высокотехнологичной отрасли.
Соединения типа AIIIBV, к которым относится GaAs, представляют собой сочетание химических элементов третьей и пятой групп Периодической системы. Интеграция подобных материалов с традиционными кремниевыми подложками открывает уникальные возможности для формирования гибридных структур, где преимущества обоих полупроводников реализуются в полном объеме.
Почему прежние методы не работали: проблемы стыковки структур
Попытки создавать GaAs-пленки на кремниевых пластинах долгие годы сталкивались с существенными трудностями. Главной из них была несовместимость кристаллической решетки: размеры элементарных ячеек GaAs и Si различаются, что приводит к образованию структурных несоответствий и дефектов в получаемых пленках. Если добавить к этому разницу в коэффициентах температурного расширения материалов, ситуация осложняется еще больше: по мере охлаждения возникает неравномерное сжатие слоев, провоцирующее появление микротрещин.
Таким образом, даже если процесс осаждения слоев проходит на высоком уровне, структура материала может быть нарушена из-за несовпадения параметров. Это ухудшает качество пленок, снижает их эффективность и ограничивает возможности применения в высокоточных приборах.
Пористый кремний и сверхструктурные слои: революция в технологиях
Исследовательские коллективы УрФУ и ВГУ ранее показали, что использование дополнительного пористого слоя кремния может сгладить расхождения между решетками GaAs и кремния. Пористый кремний способен "подстраиваться" под структуру следующего наносимого слоя, снижая количество возникающих дефектов. Такие подложки принято называть "податливыми". Однако и у этого способа были свои ограничения: макро- или мезопористые структуры не всегда обеспечивают необходимое качество пленок.
В рамках нового грандиозного исследования ученые сделали шаг вперед — они разработали податливую подложку, включающую не только пористый кремний, но и сверхструктурный слой на основе соединений AIIIBV. Сверхструктурный уровень — это особое упорядочение атомов в материале, которое способствует идеальной интеграции различных кристаллов и минимизирует образование дефектов.
Принципы работы новой технологии интегрированных гетероструктур
Процесс формирования новых гетероструктур включает последовательную обработку кремниевой пластины, создание пористого слоя, а затем нанесение на него тонких слоев GaAs из газовой фазы. Особенность технологии заключается во включении в податливую подложку сверхструктурного слоя, который значительно снижает напряженность при эпитаксии и препятствует появлению разрушающих трещин и несовершенств.
Многочисленные спектроскопические и структурные исследования продемонстрировали: данная методика позволяет получать пленки лучшей кристаллической структуры в сравнении с традиционными подходами. Снижается не только количество дефектов, но и сам процесс становится технологически проще, поскольку отпадает надобность в дополнительных переходных буферных слоях.
Позиция научного сообщества и дальнейшие перспективы
«Введение сверхструктурного слоя мы рассматриваем как прорывной фактор эффективного перераспределения накопленных напряжений в гетероструктурах, — делится своим мнением ведущий научный сотрудник Павел Середин, представляющий образовательный центр „Наноматериалы и нанотехнологии“ УрФУ и кафедру физики твердого тела и наноструктур физического факультета Воронежского государственного университета. — Конечно, работы впереди еще много. Тем не менее мы убеждены, что интеграция податливых подложек с дополнительными сверхструктурными элементами значительно улучшит морфологические и оптические параметры эпитаксиальных пленок. Кроме этого, одной из захватывающих возможностей мы считаем дальнейшее сращивание одномерных систем на базе AIIIBV с кремниевой архитектурой обработки сигналов. Вместе с коллегами из РАН мы подготовили заявку на грант Президентской программы Российского научного фонда — и очень надеемся реализовать давние мечты специалистов в области оптики».
Павел Середин и его команда считают приоритетным не только успешное уменьшение дефектности, но и получение новых оптических свойств, необходимых для лазеров будущего, устройств связи и других высокотехнологичных изделий. Это фундамент для синтеза самых передовых материалов, способных соревноваться с мировыми аналогами.
В ходе работы ученые наблюдали, что поверхность эпитаксиальных пленок формируется в виде компактных блоков, создающих мозаичную структуру, что свидетельствует о высокой степени упорядоченности материала. Такой подход в будущем поможет реализовать новые идеи интеграции GaAs и Si в сложнейшие микросхемы и оптические системы.
Практическая значимость проекта: вклад в развитие электроники
Предлагаемая прогрессивная технология выращивания GaAs-пленок на податливых кремниевых подложках создает прочную базу для изготовления новых генераций солнечных элементов, светодиодов, высокочастотных электронных устройств и многого другого. Благодаря поддержке РНФ, исследователи продолжают работу над совершенствованием структуры эпитаксиальных пленок и расширением спектра материалов, годных для интеграции по новой методике.
Дальнейшее изучение и оптимизация структурных характеристик новых гетероструктур, несомненно, откроет двери к масштабированию производства инновационной электроники, сориентированной на самые высокие международные стандарты. Следующий этап — создание реалистичных прототипов сложных элементов электроники на основе GaAs/Si, которые смогут конкурировать с зарубежными аналогами и обеспечат отечественной промышленности устойчивое развитие на десятилетия вперед.
Вклад ученых УрФУ, ВГУ и поддержка Российского научного фонда уже сейчас позволяют говорить о качественном скачке в понимании и управлении процессами на границе кремния и арсенида галлия. Такой симбиоз науки и передовых технологий — залог уверенного будущего для всей отечественной отрасли микроэлектроники и фотоники.
