Kami menyajikan pertumbuhan nanowire InGaAs/InP inti-kulit self-seeded melalui deposition kimia vapor logam-organik (MOCVD) pada substrat Si-(111), diikuti dengan analisis optik dan struktural yang rinci. Ketidakcocokan jaringan yang besar antara inti InGaAs dan kulit InP memperkenalkan regangan yang jelas pada antarmuka, yang memicu pertumbuhan kulit tidak simetris dan dapat membengkokkan nanowire. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) mengonfirmasi bahwa kulit InP tetap koheren dengan inti InGaAs, tanpa dislokasi ketidakcocokan. Pengukuran luminescensi foto (PL) pada 77 K mengungkapkan peningkatan intensitas puncak sekitar 100 kali lipat untuk struktur inti-kulit dibandingkan nanowire InGaAs polos, yang disebabkan oleh passivasi keadaan permukaan yang efektif dan pembatasan pembawa muatan oleh lapisan InP. Temuan ini memajukan pemahaman tentang nanowire inti-kulit yang beregangan dan mengarah pada potensinya dalam perangkat optoelektronik berbasis Si.
Latar Belakang
Nanowire semiconductor III-V sedang muncul sebagai komponen kunci untuk elektronika dan fotonika skala nano generasi mendatang, berkat properti elektronik, optik, dan geometrik yang unik. Nanowire InGaAs, khususnya, menawarkan gap energi langsung yang dapat disesuaikan, massa efektif rendah, dan mobilitas pembawa muatan tinggi, membuatnya menarik untuk aplikasi fotonik dan optoelektronik. Mengintegrasikan bahan-bahan ini pada platform Si sangat menarik, karena menggabungkan fisika III-V yang unggul dengan teknologi CMOS matang, sementara geometri nanowire mengurangi tantangan ketidakcocokan jaringan.
Meskipun memiliki keuntungan ini, rasio permukaan-volume yang tinggi pada nanowire memperkenalkan banyak keadaan permukaan yang merusak performa elektronik dan optik melalui pencaran dan rekombinasi non-radiasi. Untuk bahan III-V gap energi sempit, regangan pita yang diinduksi keadaan permukaan dapat mendistribusikan ulang pembawa muatan dan mengganggu operasi perangkat. Oleh karena itu, passivasi permukaan sangat penting. Struktur inti-kulit InGaAs/InP adalah ideal: perpaduan tipe-I gap energi membatasi pembawa muatan di inti InGaAs, dan kulit InP, dengan panjang gelombang emisi yang dapat disesuaikan antara 1,31–1,55 µm, sangat cocok untuk komunikasi serat optik.
Dalam studi ini, kami menumbuhkan dan mengkarakterisasi nanowire inti-kulit InGaAs/InP pada Si-(111) menggunakan MOCVD. Kami menunjukkan bahwa regangan yang diinduksi ketidakcocokan jaringan mengatur pertumbuhan kulit, yang mengarah pada cakupan tidak simetris dan pembengkokan kawat. Dengan mengoptimalkan parameter pertumbuhan, kami mencapai nanowire inti-kulit berkualitas tinggi dengan peningkatan PL sekitar 100 kali lipat, yang disebabkan oleh penindasan keadaan permukaan yang efektif dan pembatasan pembawa muatan.
Metode / Eksperimen
Pertumbuhan Nanowire
Nanowire dibuat dalam reaktor MOCVD shower-head coupled erat (AIXTRON Ltd., Jerman) pada 133 mbar. Trimetilindium (TMIn) dan trimetilgalium (TMGa) berfungsi sebagai precursor grup-III, sementara arsin (AsH3) dan fosfin (PH3) menyediakan elemen grup-V. Hidrogen murni (H2) mengalir pada 12 slm. Substrat Si-(111) pertama diangalkan pada 635 °c, kemudian didinginkan ke 400 °c di bawah AsH3 untuk membentuk permukaan (111)B-ish. Inti InGaAs ditumbuhkan pada 565 °c selama 15 menit, dengan flux TMIn dan AsH3 masing-masing 0,8×10⁻⁶ mol menit⁻¹ dan 1,0×10⁻⁴ mol menit⁻¹; flux TMGa bervariasi untuk menyesuaikan rasio In/Ga (Xv = 30–40 %). Kulit InP ditetapkan pada 565 °c selama 10 menit, menggunakan TMIn (2×10⁻⁶ mol menit⁻¹) dan PH3 (8,0×10⁻⁴ mol menit⁻¹). Sampel didinginkan ke suhu ruang dalam atmosfer PH3 untuk mencegah oksidasi.
Metode Karakterisasi
Morfologi nanowire diperiksa dengan mikroskopi elektron pemindai (SEM, Nova Nano SEM 650) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM, JEM2010F, 200 kV). Spektroskopi energi-dispersif (EDS) menyediakan pemetaan komposisi. Spesimen TEM disiapkan dengan transfer mekanis pada grid tembaga lapis karbon. Luminescensi foto (PL) diukur menggunakan laser 532 nm (≈100 mW, spot 150 µm) dan spektrometer transformasi Fourier inframerah (FTIR) dengan detektor InSb pendingin nitrogen cair. Cermin FTIR beroperasi dalam mode skan cepat.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menggambarkan urutan pertumbuhan nanowire inti-kulit InGaAs/InP pada Si-(111). Nanowire InGaAs memicu melalui mekanisme self-catalyzed; titik In dikonsumsi di bawah AsH3, setelahnya aliran AsH3 diubah menjadi PH3 dan TMIn diperkenalkan untuk memicu overgrowth InP.
Ilustrasi skematik pertumbuhan nanowire inti-kulit InGaAs/InP dan urutan suplai sumber untuk pertumbuhan nanowire.
Gambar SEM (Gambar 2) mengungkapkan bahwa nanowire InGaAs polos berdiri tegak dengan diameter seragam. Setelah penyetapan kulit InP, kawat mempertahankan sisi halus, yang mengindikasikan optimasi parameter pertumbuhan yang berhasil. Diameter rata-rata meningkat dari sekitar 65 nm (inti polos) menjadi sekitar 95 nm (inti-kulit), yang mengimplyasikan kulit InP sekitar 15 nm. Namun, untuk Xv = 30 %, kawat membengkok karena regangan dari ketidakcocokan jaringan. Meningkatkan Xv ke 35 % mengurangi pembengkokan, dan pada Xv = 40 % kawat menjadi lurus, sesuai dengan ketidakcocokan jaringan yang berkurang dan diameter inti yang meningkat.
a Gambar SEM 30°-miring nanowire InGaAs, dan nanowire inti-kulit InGaAs/InP dengan Xv, yaitu b 30%, c 35%, dan d 40%
TEM dan EDS mengonfirmasi kulit InP yang koheren tanpa dislokasi ketidakcocokan (Gambar 3). InP mengadopsi struktur kristal wurtzite/zinc-blende campuran dari inti InGaAs, yang diwariskan melalui pertumbuhan epitaksial. Garis skan EDS (Gambar 4) menunjukkan bahwa kulit InP awalnya tidak simetris untuk Xv = 30 % tetapi menjadi simetris seiring bertambahnya kandungan Ga, yang berkaitan dengan pembengkokan yang berkurang.
a Gambar HRTEM nanowire InGaAs polos (Xv = 35%) yang diperoleh dari zona sumbu 110. Inset adalah pola difraksi area terpilih (SAED) yang sesuai. b Gambar TEM pemampatan rendah nanowire inti-kulit InGaAs/InP (Xv = 35%). c Gambar HRTEM nanowire dilihat dari zona sumbu 110. Garis merah putus-putus menunjukkan antarmuka antara inti dan kulit
a Gambar TEM pemampatan rendah nanowire inti-kulit InGaAs/InP (Xv = 30%). b, c Garis skan EDS di sepanjang dua garis merah yang ditandai pada a. d Gambar TEM pemampatan rendah nanowire inti-kulit InGaAs/InP (Xv = 35%). e, f Garis skan EDS di sepanjang dua garis merah yang ditandai pada (d)
Spektra luminescensi foto (Gambar 5) menunjukkan peningkatan intensitas sekitar 100 kali lipat untuk nanowire inti-kulit, dengan puncak emisi bergeser dari sekitar 0,73 eV (inti polos) menjadi sekitar 0,78 eV (inti-kulit). Pergeseran biru (sekitar 50 meV) disebabkan oleh perlebaran gap energi yang diinduksi regangan dan eliminasi emisi yang terkait keadaan permukaan. Struktur inti-kulit juga menunjukkan lebar paruh maksimum (FWHM) yang lebih sempit, yang mengindikasikan jalur non-radiasi yang berkurang.
Spektra PL nanowire InGaAs polos dan inti-kulit InGaAs/InP (Xv = 30%) pada 77 K. Inset adalah ilustrasi skematik struktur pita nanowire InGaAs kaya In polos dan nanowire inti-kulit InGaAs/InP
PL bergantung pada suhu (Gambar 6) menunjukkan bahwa emisi inti-kulit tetap intens hingga suhu ruang, dengan panjang gelombang puncak meluas 1,49–1,68 µm—yang sangat cocok untuk aplikasi telekomunikasi. Pergeseran merah yang diharapkan dengan suhu sebagian dibawahi di bawah 60 K, kemungkinan karena penangkap pembawa muatan pada defek struktural, fenomena umum dalam ensemble nanowire.
a Spektra PL ternormalisasi nanowire inti-kulit InGaAs/InP dengan berbagai Xv (Xv = 30%, 35%, dan 40%) pada 77 K. b Spektra PL bergantung pada suhu nanowire inti-kulit InGaAs/InP dengan Xv = 40%. Inset pada b menunjukkan pergeseran PL bergantung pada suhu yang sesuai dalam energi puncak PL
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa pertumbuhan self-seeded MOCVD nanowire inti-kulit InGaAs/InP pada Si-(111) menghasilkan struktur dengan antarmuka koheren, densitas defek minimal, dan performa luminescensi foto yang luar biasa. Regangan pada batas inti-kulit menentukan morfologi kulit, tetapi pengambilan Ga yang sesuai mengurangi pembengkokan. Kulit InP secara efektif memassivasi keadaan permukaan dan membatasi pembawa muatan, menghasilkan peningkatan PL sekitar 100 kali lipat dan memungkinkan emisi suhu ruang dalam jendela telekomunikasi. Wawasan ini melandasi dasar untuk perangkat optoelektronik berkinerja tinggi dan kompatibel Si berdasarkan nanowire InGaAs.
