Новые наноструктурированные InGaN материалы: синтез, свойства и оптоэлектронные приложения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-00012

НазваниеНовые наноструктурированные InGaN материалы: синтез, свойства и оптоэлектронные приложения

Руководитель Цырлин Георгий Эрнстович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова наноструктуры, InGaN, полупроводники, молекулярно-пучковая эпитаксия, физические свойства

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время разработка новых эффективных материалов на основе полупроводниковых соединений InGaN для создания излучателей света в видимом диапазоне, а также оптоэлектронных сверхвысокочастотных и высокотемпературных приборов – актуальная задача на протяжении последних лет. Такой материал обладает широким диапазоном запрещенной зоны от 0,7 эВ (для InN) до 3,4 эВ (для GaN), что может быть достигнуто путем изменения мольной доли индия в твёрдом растворе. Благодаря этому, InGaN наноструктуры являются перспективными для создания излучателей в видимом диапазоне, а также белых светодиодов на основе одного материала. В настоящее время одним из самых распространённых чисто полупроводниковых белых светодиодов является многокристальные светодиоды, чаще — трёхкомпонентные (RGB светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного (R), зелёного (G) и синего (B) свечения, объединённые в одном корпусе. Таким образом, для создания RGB светодиода, необходимо синтезировать три полупроводниковые структуры, а затем объединить их в одном приборе. Одним из решением данной проблемы является синтез InGaN наноструткур сложной морфологии, таких как нитевидные нанокристаллы (ННК), наноцветы и других. Благодаря развитой морфологии, механические напряжения в полупроводниковых наноструктурах релаксируют, количество структурных дефектов значительно уменьшается. Совмещение элементов электроники на кремнии с InGaN наноструктурами открывает широкие перспективы создания сложных функциональных устройств на одном чипе. Возможность создания таких наноструткур появилась в результате развития новых эпитаксиальных нанотехнологий и соответствующего ростового и диагностического оборудования. В процессе выполнения проекта планируется решение ряда фундаментальных проблем, связанных с воспроизводимым получением непланарных InGaN наноструктур контролируемой геометрии и широкого диапазона составов в процессе роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии на полупроводниковых подложках, в том числе монокристаллического кремния, для создания новых излучателей в диапазоне длин волн от 370 до 1000 нм. На основе разработанной технологии будут созданы прототипы эффективных излучателей как в видимом диапазоне, так и излучатели белого света. Всё вышесказанное объясняет актуальность и практическую значимость проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шугабаев Т., Гридчин В.О., Резник Р.Р., Хребтов А.И., Мельниченко И.А., Кулагина А.С., Котляр К.П., Лендяшова В.В., Крыжановская Н.В., Цырлин Г.Э. Quantum dot-induced photoluminescence enhancement of InGaN nanowires НТВ СПбГПУ. Физико-математические науки (год публикации - 2023)

2. Гридчин В.О., Резник Р.Р., Котляр К.П., Кириленко Д.А., Драгунова А.С., Крыжановская Н.В., Цырлин Г.Э. Структурные и оптические свойства InGaN нитевидных нанокристаллов c градиентным химическим составом Конденсированные среды и межфазные границы, номер 4, том 25, с. 520-525 (год публикации - 2023)

3. Резник Р.Р., Гридчин В.О., Котляр К.П., Неплох В.В., Осипов А.В., Кукушкин С.А., Saket O., Tchernycheva M., Цырлин Г.Э. Подтверждение методом картирования тока, наведенного электронным пучком, самопроизвольного легирования GaN нитевидных нанокристаллов из вицинальной подложки SiC/Si Конденсированные среды и межфазные границы, Номер 4, том 25, с. 526-531 (год публикации - 2023)
10.17308/kcmf.2023.25/11474

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основная научная проблема, на решение которой направлен представленный проект, заключается в создании воспроизводимой технологии синтеза новых непланарных полупроводниковых наноструктур на основе материала InGaN в широком диапазоне составов, создание новых оптоэлектронных приборов, работающих в диапазоне длин волн от 370 до 1000 нм. В рамках этапа 2024 г. решились следующие основные задачи: 1) Исследование влияния оболочки на оптические свойства InGaN нитевидных нанокристаллов 2) Исследование влияния соотношения потоков элементов III и V групп на формирование и свойства InGaN нитевидных нанокристаллов со структурой «ядро-оболочка» 3) Исследование процессов формирования GaN/InGaN/GaN наногетероструктур непланарной морфологии на различных полупроводниковых подложках и исследование их оптических свойств. В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты: 1. Впервые было исследовано влияние оболочки на оптические свойства выращенных InGaN ННК со спонтанно-сформированной структурой «ядро-оболочка». Исследования спектров фотолюминесценции (ФЛ) от времени травления при комнатной температуре и накачке He-Cd лазером показали более чем 2х-кратное увеличение интегральной интенсивности. Оптимальное временя травления составило 50 секунд в водном растворе KOH (1:5) при температуре 75 °C. 2. Исследовано влияние потоков FGa и FIn на структурные и оптические свойства ННК InGaN. Установлено, что одновременное повышение потоков FGa и FIn на одинаковую величину позволяет менять длину волны ФЛ, покрывая весь видимый диапазон излучения. Установлено, что для используемой установки Riber C12 оптимальным диапазоном потоков металлов FIII для роста ННК со структурой «ядро-оболочка» является диапазон от 2 до 3•10^(-7) Торр при равном изменении FGa и FIn. 3. Продемонстрирована принципиальная возможность роста GaN ННК не только на традиционной Si(111) подложке, но и на других полупроводниковых подложках: гибридной подложке Si(111)/SiC, полученных методом согласованного замещения атомов, а также SOI (silicon – on – insulator), состоящей из Si(100), на котором был выращен слой SiO2 толщиной 2 мкм и покрывающий слой Si(100) толщиной 50 нм. 4. Был исследован механизм формирования InGaN наноструктур непланарной морфологии – наноцветов. Были установлены следующие основные причины, приводящие к формированию данных наноструктур: образование ННК со спонтанно-структурой «ядро-оболочка», в которой содержание In увеличивается более чем на 50% к вершине; восходящая диффузия индия за счёт нестабильности тройного раствора InGaN с долей In более 50% и возникающих сжимающих напряжений со стороны оболочки на ядро ННК; локальное увеличение соотношения материалов III/V на вершинах ННК, приводящее к латеральному росту наноструктур, а также образования кристаллических фаз InGaN с сфалеритной структурой, из которых на гранях, эквивалентных (111), растут вюрцитные фазы InGaN, приводящие к формированию наноцветов. 5. Экспериментально и теоретически исследован механизм спонтанного формирования структуры «ядро-оболочка» в InGaN нитевидных нанокристаллах. 6. В дополнение к запланированным работам, была продемонстрирована принципиальная возможность использование InGaN/Si(111) ячеек для разложения воды с целью получения газообразного водорода. Таким образом, все запланированные результаты в рамках второго этапа были полностью выполнены. Кроме того, был получен ряд результатов, не входящих в первоначальный план работ.

Публикации

1. Гридчин В.О., Шугабаев Т., Лендяшова В.В., Котляр К.П., Хребтов А.И., Драгунова А.С., Крыжановская Н.В., Резник Р.Р., Цырлин Г.Э. Growth of long core-shell InGaN nanowires by plasma-assisted molecular beam epitaxy with gradually increasing substrate temperature Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, № 3.2, Т.17 (год публикации - 2024)

2. Дубровский В.Г., Цырлин Г.Э., Кириленко Д.А., Котляр К.П., Махов И.С., Резник Р.Р., Гридчин В.О. Instantaneous growth of single monolayers as the origin of spontaneous core-shell InxGa1-xN nanowires with bright red photoluminescence Nanoscale Horizons, №12, Том 9, стр. 2360-2367 (год публикации - 2024)
10.1039/D4NH00412D

3. Гридчин В.О., Котляр К.П., Убийвовк Е.В., Лендяшова В.В., Драгунова А.С., Крыжановская Н.В., Шевчук Д.С., Резник Р.Р., Кукушкин С.А., Цырлин Г.Э. Growth of three-dimensional InGaN nanostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy ACS Applied Nano Materials, №. 15., Т. 7. , С. 17460-17468 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c02561

4. Гридчин В.О., Комаров С.Д., Сошников И.П., Штром И.В., Резник Р.Р., Крыжановская Н.В., Цырлин Г.Э. On the Growth of InGaN Nanowires by Molecular-Beam Epitaxy: Influence of the III/V Flux Ratio on the Structural and Optical Properties Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques (год публикации - 2024)
10.1134/S1027451024020289

5. Цырлин Г.Э., Резник Р.Р., Гридчин В.О. Ternary N-based nanostructures: growth and properties 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), С. 347-347 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624219

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Основная научная проблема, на решение которой направлен представленный проект, заключается в создании воспроизводимой технологии синтеза новых непланарных полупроводниковых наноструктур на основе материала InGaN в широком диапазоне составов, создание новых оптоэлектронных приборов, работающих в диапазоне длин волн от 370 до 1000 нм. В рамках этапа 2025г. решались следующие основные задачи: 1) Изучение влияния легирующих примесей магния и кремния на формирование и физические свойства нитевидных нанокристаллов InGaN и GaN. 2) Выявление закономерностей формирования наноструктур InGaN непланарной морфологии и разработка адекватных теоретических моделей, описывающих механизмы их роста. 3) Синтез и исследование наноструктур на основе GaN/InGaN и GaN/InN с контролируемыми свойствами для создания неклассических источников излучения. В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты: 1. Установлены оптимальные параметры роста нитевидных нанокристаллов InGaN и GaN, легированных кремнием для получения электронной проводимости и магнием для получения дырочной проводимости. Показано, что легирующие примеси повышают эффективность встраивания In в нитевидные нанокристаллы InGaN. В случае ННК GaN, была проведена серия экспериментов с разным уровнем легирования Mg. Анализ и сравнение с ранее опубликованными результатами подтвердил p-тип проводимости выращенных ННК с концентрацией дырок вплоть до~10^18 см^(-3). 2. Выявлены закономерности формирования наноструктур InGaN непланарной морфологии в зависимости от температуры роста, соотношения потоков элементов III/V и времени роста. Установлена взаимосвязь между ключевыми параметрами роста и оптическими свойствами формируемых наноструктур InGaN. Разработана теоретическая модель формирования ННК InGaN на подложке Si(111), включающая в себя учёт механических напряжений в процессе роста ННК и локального изменения соотношения элементов III/V на вершине ННК. 3. Разработан прототип плазмонного нанолазера с оптической накачкой на основе одиночного ННК GaN/InGaN/GaN, расположенного на гибридной подложке AlOx (10 нм) / Ag (200нм) / Si(111). Максимум излучения составил ~ 446 нм при полуширине линии 0.2 нм, пороговой плотности мощности генерации ~ 100 Вт/см² и температуре измерений 5К. Лазерная генерация наблюдалась до температуры 80К с постепенным повышением пороговой плотности мощности до ~ 500 Вт/см2.4. Продемонстрирована возможность создания суб-нанометровых вставок InN в ННК GaN. На основе сравнительного спектрального анализа с литературными данными было установлено, что наиболее интенсивная линия фотолюминесценции в области 3.17-3.23 эВ соответствует вставкам InN толщиной 1 монослой. 5. Изучен подход к росту срощенных наноколонок InN на темплейте GaN/AlN/Si(111). Получена относительно узкая полуширина рамановской линии E2_high (~0.53см^-1) и фотолюминесценция с пиком излучения вблизи 0.68 эВ от выращенных структур. 6. В дополнение к запланированным работам были выращены наноструктуры AlN на Ван-Дер-Ваальсовых слоях гексагонального нитрида бора. Обнаружено и объяснено формирование наностенок и нитевидных нанокристаллов AlN на таких слоях. Таким образом, все запланированные результаты в рамках третьего этапа были полностью выполнены. Кроме того, был получен ряд результатов, не входящих в первоначальный план работ.

Публикации

1. Гридчин В.О., Минтаиров А.М., Шугабаев Т., Аксенов В.Ю., Власов А.С., Лендяшова В.В., Котляр К.П., Елисеев И.А., Хребтов А.И., Резник Р.Р., Давыдов В.Ю., Цырлин Г.Э. Growth of GaN Nanowires with InN Inserts by PA-MBE Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. 2025. Vol. 18. No. 3.1 Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 18 (3.1) 2025 (год публикации - 2025)
10.18721/JPM.183.126

2. Даутов А.М., Дубровский В.Г., Шугабаев Т., Лендяшова В.В., Котляр К.П., Кузнецов А., Алексеев П.А., Попов М.Е., Штром И.В., Токсумаков А., Газарян Д., Парфенева А.В., Арсенин А.В., Большаков А.Д., Цырлин Г.Э., Гридчин В.О. Topographically-guided van der Waals epitaxy: Selective growth of AlN nanowalls on h-BN step edges Materials Science in Semiconductor Processing, Dautov A. M. и др. Topographically-guided van der Waals epitaxy: Selective growth of AlN nanowalls on h-BN step edges // Materials Science in Semiconductor Processing. 2026. Т. 204. С. 110293. (год публикации - 2026)
10.1016/j.mssp.2025.110293

3. Субботина Е.А., Субботина А.С., Серов А.Ю., Философов Н.Г., Сибирев Н.В., Гридчин В.О., Цырлин Г.Э., Штром И.В. Two bands in PL spectra of InGaN/GaN superlattice embedded in GaN nanowire Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, №4.1, Т.19, 2026 (год публикации - 2026)