Pertumbuhan Nanowires GaSb Vertikal Swakatalisis pada Batang InAs melalui MOCVD

Latar Belakang

Nanowires semiconductur III–V semakin dianggap sebagai titik balok teknologi elektronik, optik, dan kuantum generasi mendatang, karena karakteristik elektronik, optik, dan geometris yang khas. Di antara senyawa III–V, antimonida menonjol karena sempitnya bandgap langsung, massa efektif pembawa yang minimal, dan mobilitas pembawa yang luar biasa, menjadikannya ideal untuk detektor inframerahengah panjang, transistor cepat dan hemat daya, dan penelitian kuantum dasar. Namun, massa atom yang berat, volatilitas Sb yang rendah, dan titik leleh yang rendah dari III-antimonida membuat pertumbuhan nanowires sangat sulit.

Nanowires GaSb, khususnya, sebagian besar bergantung pada katalis Au, yang memperkenalkan pusat rekombinasi level dalam dan menurunkan performa elektronik. Oleh karena itu, pertumbuhan bebas katalis sangat diinginkan. Pertumbuhan vertikal lebih diperlambat oleh hambatan nukleasi pada substrat, biasanya diatasi dengan batang pendek dari bahan lain. Kerja MBE terbaru menunjukkan GaSb swakatalisis pada batang GaAs, tetapi pertumbuhan MOCVD bebas katalis pada batang InAs belum pernah dilaporkan. Dalam studi ini, kami menyajikan pertumbuhan GaSb swakatalisis pada batang InAs melalui MOCVD pada Si(111). Ketidakcocokan jaringan rendah (0,6 %) dan penyelarasan broken-gap tipe-II antara InAs dan GaSb memungkinkan platform heterostruktur aksial baru untuk perangkat tunnel, CMOS cepat, hibridisasi lubang-elektron, dan fisika spin eksiton.

Dengan mengontrol aliran prekursor dengan hati-hati, kami mencapai nanowires GaSb vertikal dengan dinding samping halus. Strategi aliran TMGa/TMSb dua langkah mempertahankan titik cair Ga pada tahap awal, kemudian meningkatkan pertumbuhan aksial. Pada 500 °C, nanowires GaSb menunjukkan diameter dan panjang yang lebih besar dibandingkan pada 520 °C, disebabkan oleh dinamika pertumbuhan radial dan efek supersaturasi Gibbs-Thomson. TEM mengungkap batang InAs dengan polytipe wurtzite/zinc-blende campuran, sementara segmen GaSb adalah zinc-blende bebas cacat.

Metode

Pertumbuhan Nanowires

Nanowires heterostruktur disintesis dalam reaktor MOCVD kepala duş coupled-close (AIXTRON Ltd.) pada 133 mbar. TMIn dan TMGa berfungsi sebagai prekursor III; AsH₃ dan TMSb sebagai prekursor V. H₂ ultra-tinggi kemurnian adalah gas pembawa (12 slm). Wafer Si(111) diprer-anneal pada 635 °C, kemudian dinginkan ke 400 °C di bawah AsH₃ untuk menghasilkan permukaan (111)B-serupa. Batang InAs ditumbuhkan pada 545 °C selama 45 detik (TMIn: 1,0×10⁻⁶ mol/min, AsH₃: 2,0×10⁻⁴ mol/min). Aliran diubah ke TMGa/TMSb, dan substrat didinginkan ke suhu pertumbuhan GaSb yang diinginkan. Sampel akhirnya didinginkan ke suhu kamar dengan TMSb sebagai lapisan pelindung.

Metode Karakterisasi

Morfologi dan komposisi diperiksa oleh SEM (Nova Nano SEM 650) dengan EDX dan TEM (JEM‑2010F, 200 kV). Spektroskopi Ram­an (Jobin‑Yvon HR Evolution, laser 532 nm, 0,36 mW, titik ~1 µm) memeriksa kualitas optik.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menggambarkan skema pertumbuhan aksial dan urutan prekursor. Pertumbuhan berlangsung melalui mekanisme VLS swakatalisis, dengan katalis bertransisi dari In ke Ga saat perubahan aluran. Titik cair Ga yang lebih besar pada batang InAs menjelaskan segmen GaSb yang lebih tebal. Untuk mencegah geseran titik cair, aluran TMGa/TMSb rendah (0,35×10⁻⁶ mol/min dan 2,0×10⁻⁶ mol/min, V/III ≈ 5,7) diterapkan selama 15 menit. Selanjutnya, aluran digandakan (0,7×10⁻⁶ mol/min dan 4,0×10⁻⁶ mol/min) untuk meningkatkan pertumbuhan aksial, sambil mempertahankan rasio V/III yang sama. Protokol dua langkah ini menghasilkan nanowires GaSb vertikal pada batang InAs.

Citra SEM pada 480, 500, 520, dan 545 °C (Gambar 2a–d) menunjukkan perilaku bergantung pada suhu. Pada 480 °C, GaSb tumbuh secara radial atau planar; pada 500–520 °C pertumbuhan aksial tercapai; pada 545 °C batang InAs terdekomposisi, menyebabkan nanowires jatuh. Pertumbuhan optimal memerlukan kontrol suhu yang hati-hati.

Analisis statistik (Gambar 3) mengungkapkan bahwa nanowires dengan diameter lebih besar tumbuh lebih panjang, konsisten dengan supersaturasi yang lebih rendah dalam titik cair yang lebih kecil (efek Gibbs-Thomson). Pada 500 °C, diameter rata-rata ~206 nm dan panjang ~330 nm; pada 520 °C, diameter ~168 nm dan panjang ~275 nm. Suhu pertumbuhan yang lebih rendah mengurangi supersaturasi titik cair, meningkatkan pertumbuhan aksial.

Laju pertumbuhan aksial mengikuti v∝(Δμ/k_BT)², di mana Δμ adalah supersaturasi yang ditentukan oleh konsentrasi Sb dalam titik cair Ga. Titik cair yang lebih kecil memiliki tekanan uap lebih tinggi, mengurangi Δμ dan melambatkan pertumbuhan. Temuan ini sejalan dengan studi GaAsP, InAs/InSb, dan InGaSb sebelumnya.

Perbandingan dengan GaSb yang ditumbuhkan langsung pada Si versus dengan batang InAs (Gambar 4) menunjukkan peran penting batang. Pertumbuhan langsung pada Si mendukung orientasi planar karena efek tensioaktiv Sb, sementara batang InAs memungkinkan nanowires vertikal dengan dinding samping halus dan diameter seragam. Diameter segmen InAs cocok dengan puncak GaSb, menunjukkan pertumbuhan radial yang ditingkatkan di sekitar batang pendek, mungkin karena difusi adatom dari substrat.

Analisis TEM (Gambar 5) mengonfirmasi GaSb zinc-blende bebas cacat dan mengungkap polytipe campuran WZ/ZB batang InAs dengan banyak cacat planar. Cacat ini dapat membatasi mobilitas pembawa, menekankan keuntungan integrasi Sb untuk rekayasa fase kristal.

Pemeriksaan garis EDS (Gambar 6) menunjukkan titik cair terutama mengandung Ga dengan jejak In, mengonfirmasi mekanisme swakatalisis. Segmen GaSb menunjukkan rasio Ga:Sb 1:1, sementara bagian InAs menampilkan In dan As sisa karena pematikan prekursor yang tidak lengkap.

Spektra Ram­an (Gambar 7) menunjukkan mode fonon TO dan LO pada ~225 cm⁻¹ dan ~233 cm⁻¹ untuk nanowires, sedikit bergeser ke bawah dari GaSb massa (226,5 cm⁻¹ dan 235,2 cm⁻¹). Pergeseran ke bawah mungkin timbul dari cacat permukaan daripada batasan kuantum, mengingat diameter nanowire yang besar. Kehadiran yang jelas kedua mode mengonfirmasi kualitas optik yang baik.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan pertumbuhan MOCVD swakatalisis nanowires GaSb vertikal pada batang InAs. Protokol TMGa/TMSb dua langkah mempertahankan titik cair Ga dan kemudian meningkatkan pertumbuhan aksial. Pada 500 °C nanowires menunjukkan diameter dan panjang yang lebih besar dibandingkan pada 520 °C, tren yang dikendalikan oleh kinematika pertumbuhan radial dan supersaturasi Gibbs-Thomson. TEM mengonfirmasi GaSb zinc-blende bebas cacat di atas batang InAs fase-campuran, sementara Ram­an menunjukkan kualitas optik yang baik. Metode yang dapat diskalakan ini berlaku untuk nanotubos antimonida lainnya dan membuka jalan untuk perangkat berbasis nanowires dan penelitian kuantum.

Singkatan

CMOS:

Semikonduktor Metal-Oksida-Semikonduktor Komplementer

EDS:

Spektroskopi Energi-Dispersif

FFT:

Transformasi Fourier Cepat

LO:

Optik Longitudinal

MBE:

Epitaksi Sinar Molekuler

MOCVD:

Afa Gas Kimia Organik Logam

SEM:

Mikroskopi Elektron Pemindaian

SF:

Cacat Tumpukan

TEM:

Mikroskopi Elektron Transmisi

TMGa:

Trimetilgalium

TMSb:

Trimetilantimon

TO:

Optik Transversal

TP:

Pikiran Kembar

VLS:

Uap-Cair-Padatan

ZB:

Zinc-Blende