Нанодюны с ионным лучом: новый метод самоорганизации наноструктур

Многие полупроводниковые устройства в современной технике – от интегральных схем до солнечных элементов и светодиодов – основаны на наноструктурах. Создание массивов регулярных наноструктур обычно требует значительных усилий. Если бы они были самоорганизованы, производство таких устройств было бы значительно быстрее, и, следовательно, затраты снизились бы. Доктор Стефан Фаско из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) и доктор Синь Оу из Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) Китайской академии наук продемонстрировали метод самоорганизации наноструктурированных массивов. посредством облучения широким ионным пучком. Результаты опубликованы в научном журнале Наномасштаб.

В своем поразительном методе исследователи используют ионные пучки, которые представляют собой быстрые электрически заряженные атомы. Они направляют широкий луч ионов благородных газов на арсенид галлия пластина, которая, например, используется при производстве быстродействующих и высокочастотных транзисторов, фотоэлементов или светодиодов. «Можно сравнить ионную бомбардировку с пескоструйной обработкой. Это означает, что ионы отрываются от поверхности мишени. Там желанное наноструктуры создаются сами по себе», — объясняет доктор Фаско. Мелко высеченная и правильная структура напоминает песчаные дюны, природные структуры, созданные ветром. Однако все это происходит в нано-мире, на расстоянии всего лишь пятидесяти нанометров между двумя дюнами — пряди человеческих волос в две тысячи раз толще.

Ионная бомбардировка при повышенной температуре

Однако при комнатной температуре ионный луч разрушает кристаллическую структуру арсенида галлия и, следовательно, его полупроводниковые свойства. Поэтому группа доктора Фаско из Центра ионного пучка HZDR использует возможность нагреть образец во время ионной бомбардировки. При температуре около четырехсот градусов по Цельсию разрушенные конструкции быстро восстанавливаются.

Дополнительный эффект обеспечивает развитие нанодюн на поверхности полупроводника. Сталкивающиеся ионы не только смещают атомы, с которыми они сталкиваются, но и полностью выбивают отдельные атомы из тела. Кристальная структура. Поскольку летучий мышьяк не остается связанным на поверхности, поверхность вскоре состоит только из атомов галлия. Чтобы компенсировать недостающие связи атомов мышьяка, образуются пары из двух атомов галлия, которые располагаются длинными рядами. Если ионный пучок выбивает дальнейшие атомы рядом с собой, пары галлия не могут соскользнуть по созданной ступеньке, потому что температуры слишком низкие, чтобы это произошло. Вот как длинные ряды пар галлия через некоторое время образуют нано-дюны, в которых несколько длинных пар линий лежат рядом друг с другом.

Множество экспериментов при разных температурах и комплексные вычисления были необходимы как для сохранения кристаллического состояния полупроводникового материала, так и для создания четко определенных структур на наноуровне. Доктор Фаско из HZDR говорит: «Метод обратной эпитаксии работает для различных материалов, но все еще находится на стадии фундаментальных исследований. Поскольку мы используем ионы с особенно низкой энергией – менее 1 киловольта – которые можно генерировать простыми методами, мы надеемся, что сможем указать путь к промышленному внедрению. Производство подобных конструкций с использованием современных методов требует значительно больше усилий».