Ученые разработали способ управлять ростом наностенок из нитрида алюминия

Исследователи из МФТИ, Университета имени Ж. И. Алферова, СПбГУ, Физико-технического института имени Иоффе и других научных организаций впервые показали, что рельеф подложки из гексагонального нитрида бора (h-BN) позволяет заранее задавать форму и расположение нанокристаллов нитрида алюминия (AlN), выращиваемых методом вандерваальсовой эпитаксии. Результаты работы опубликованы в журнале *Materials Science in Semiconductor Processing*. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проекты №23-79-00012, №24-12-00209 и №24-12-00225).

Нитрид алюминия считается одним из наиболее перспективных материалов для создания компактных источников глубокого ультрафиолетового излучения благодаря широкой запрещенной зоне — около 6 эВ. Такие источники востребованы для обеззараживания воды, стерилизации медицинских инструментов и поверхностей, медицинской диагностики, а также в системах оптической связи.

Однако создание высокоэффективных приборов на основе AlN осложняется большим несоответствием параметров его кристаллической решетки и существующих подложек. Частично решить проблему позволяют нанопроволоки: возникающие механические напряжения рассеиваются через их боковые поверхности, что снижает вероятность образования дефектов и дислокаций. Но из-за хаотичного расположения нанопроволок на поверхности невозможно формировать упорядоченные фотонные структуры.

Российские ученые предложили использовать вандерваальсову эпитаксию — метод выращивания кристаллов на атомарно гладкой поверхности двумерного материала, где взаимодействие обеспечивается слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Особенно подходящим материалом оказался гексагональный нитрид бора: его поверхность не содержит оборванных химических связей, хорошо согласуется с нитридными материалами по кристаллической структуре и сохраняет стабильность при высоких температурах. Ранее на h-BN уже выращивали вертикальные нанопроволоки GaN и InAs.

Тем не менее оставалась нерешенной ключевая задача — рост нанопроволок происходил случайным образом по всей поверхности. Для управления их расположением приходилось использовать дополнительные этапы литографии и маскирования, что усложняло технологию и могло ухудшать качество кристаллов.

В новой работе исследователи перенесли тонкие слои h-BN на кремниевые подложки с оксидным покрытием (SiOx), после чего вырастили на них нанокристаллы AlN методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии при температуре 810–850 °C. Осаждение атомов алюминия и азота происходило в условиях сверхвысокого вакуума, что обеспечило получение кристаллов высокой чистоты. Анализ образцов с помощью атомно-силовой и растровой электронной микроскопии выявил неожиданную закономерность.

На ровных террасах h-BN формировались обычные вертикальные нанопроволоки диаметром около 50 нм и высотой около 230 нм. Однако вдоль ступенек — перепадов высоты между слоями материала — возникали уже не нанопроволоки, а вытянутые наностенки шириной около 40 нм и высотой примерно 205 нм, ориентированные точно вдоль края ступени.

Авторы сопоставили высоту ступенек с результатами роста и обнаружили пороговый эффект. Если ступенька имела высоту 3–4 монослоя h-BN (около 1 нм), характер роста практически не менялся. Но при высоте 5 и более монослоев (от 1,65 нм) начиналось формирование непрерывных наностенок.

Обнаруженный эффект исследователи объяснили с помощью модели, основанной на барьере Эрлиха—Швебеля — известном механизме, затрудняющем переход атомов через ступеньку вниз. Атомы алюминия задерживаются у высоких краев, накапливаются у их основания и создают локальные области с повышенной вероятностью зарождения нанопроволок. Когда высота ступени превышает критическое значение, соседние нанопроволоки срастаются в единую наностенку, вытянутую вдоль края.

При более низких ступеньках атомы свободно преодолевают барьер, поэтому заметного изменения роста не происходит. Предложенная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными, описывающими зависимость плотности и размеров наноструктур от температуры.

Повышение температуры роста с 810 до 850 °C почти вдвое уменьшало поверхностную плотность нанопроволок, при этом средняя высота как нанопроволок, так и наностенок увеличивалась примерно на 40–45 нм. Такой результат соответствует кинетическому режиму роста: при более высокой температуре атомы алюминия способны мигрировать на большие расстояния, поэтому формируется меньше центров кристаллизации, но каждый кристалл успевает вырасти крупнее. Это открывает возможность регулировать плотность нанопроволок и, следовательно, ширину и непрерывность наностенок.

Высокое качество полученных структур подтвердили измерения методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Узкий спектральный пик AlN совпал с эталонным значением для ненапряженного материала, что свидетельствует о минимальном уровне внутренних механических напряжений — одном из главных преимуществ вандерваальсовой эпитаксии.

Исследователи также продемонстрировали возможность управлять рисунком наностенок. С помощью фрикционной зондовой литографии они нанесли на поверхность h-BN концентрические кольцевые царапины, создавая искусственные ступеньки. В результате наностенки AlN выросли строго вдоль этих линий. Появление нескольких параллельных наностенок объясняется тем, что каждый проход зонда формировал дополнительную ступеньку.

Алексей Кузнецов, научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, отметил: «Нам удалось показать, что поверхность двумерного материала можно использовать для создания ступенек в заранее заданных местах и выращивания наностенок именно там, где это необходимо. Мы рассчитываем, что развитие многозондовой литографии позволит в будущем быстро формировать такие структуры на подложках диаметром несколько сантиметров, сделав технологию совместимой с промышленным производством полупроводников».

Разработка открывает перспективы сразу в нескольких направлениях. В глубокой ультрафиолетовой фотонике линейные наностенки AlN могут использоваться как оптические резонаторы для светодиодов и лазеров с длиной волны 200–210 нм. Возможность точно задавать их расположение позволит создавать сложные фотонные схемы, включая волноводные массивы, фазовые решетки и источники одиночных фотонов.

Еще одно перспективное направление — пьезоэлектрические наносистемы. Управляемые наностенки подходят для создания наногенераторов, высокочувствительных датчиков и наноактюаторов на гибких подложках. В перспективе такие устройства смогут обеспечивать энергией автономные медицинские сенсоры и имплантируемые системы

Источник: Ученые исследовали новый метод управления выращиванием наностенки из нитрида алюминия — За науку