Pertumbuhan Langsung Tanpa Katalis Nanowires GaN Berkualitas Tinggi pada Silika Fused Terlapisi ITO oleh MBE Bantu Plasma

Abstrak

Kami menunjukkan pertumbuhan epitaksi sinar molekuler bantu plasma (PA-MBE) tanpa katalis dari nanowires nitrida galium (GaN) kristal tunggal langsung pada silika fused terlapisi indium tin oksida (ITO). Dengan menyesuaikan suhu pertumbuhan dan tekanan setara sinar (BEP) dengan hati-hati, kami mencapai nanowires (0001) berorientasi vertikal dengan defek minimal, seperti yang dibuktikan oleh absence luminesensi kuning dalam spektrum fotoluminesensi (PL). Mikroskopi gaya atom konduktif (C-AFM) mengonfirmasi bahwa nanowires n-doped individual menunjukkan konduktivitas yang baik, menekankan potensi platform ini untuk perangkat optoelektronik transparan generasi mendatang. Protokol pertumbuhan suhu rendah mempertahankan integritas lapisan ITO di bawahnya sambil menyediakan materi GaN berkualitas tinggi.

Pendahuluan

Perangkat III-nitride komersial terutama bergantung pada substrat safir, yang membatasi skalabilitas dan biaya. Silika menawarkan alternatif yang lebih murah dan luas dalam industri, namun sifat isolator inherennya memerlukan pelapisi konduktif transparan. Indium tin oksida (ITO) memenuhi kedua kriteria, namun teknik deponersi suhu tinggi konvensional berisiko merusak film ITO. Pendekatan suhu rendah sebelumnya, seperti sputtering atau deposisi uap kimia bantu plasma (PECVD), sering menghasilkan GaN policristal dengan defek berlimpah. Kami mengatasi kesenjangan ini dengan menggunakan PA-MBE, yang menyediakan nitrogen reaktif melalui N2 yang diischarge RF, memungkinkan pertumbuhan pada suhu yang menghemat ITO. Rasio permukaan-volume yang tinggi nanowires mengurangi tekanan ketidakcocokan jaring, yang menghasilkan struktur kristal tunggal bebas defek bahkan pada ITO policristal.

Metode

Deposisi Tipis ITO

Film ITO (≈100 nm) di-deposisi pada suhu ruang menggunakan sputtering magnetron RF: plasma argon pada 60 W, 2,5 mTorr, dan aliran gas 25 sccm. Sebelum deponersi, wafer silika dibersihkan dalam aseton dan alkohol isopropil. Lapisan ITO yang dihasilkan menunjukkan resistansi sheet di bawah 10 Ω/□ setelah aneling.

Pertumbuhan Nanowires Nitrid III

Pertumbuhan dilakukan dalam sistem PA-MBE Veeco Gen 930. Silika terlapisi ITO pertama kali dianeling dalam pengepana termal cepat pada 650 °C di bawah Ar selama 5 menit untuk meningkatkan kristalin. Langkah pembersihan awal melibatkan pembakaran 200 °C dan 650 °C di load lock. Parameter pertumbuhan: Ga BEP = 1×10⁻⁷ Torr, lapisan benih pada 500 °c, diikuti oleh pertumbuhan nanowires 700 °C. Suhu substrat rendah mencegah degradasi ITO sambil mempromosikan perataan vertikal nanowires.

Karakterisasi Struktural, Optik, dan Listrik

Topografi permukaan dan resistansi sheet ITO diukur dengan Agilent 5500 SPM. Untuk C-AFM, kontak 5/5 nm Ni/Au dipanaskan pada nanowires, lalu dianeling pada 600 °C. Ujung AFM Pt/Ir digunakan untuk menguji aliran arus di bawah bias yang diterapkan pada ITO. Mikroskopi transmisi elektron (TEM) dan STEM sudut gelap annular tinggi (HAADF-STEM) dilakukan pada sampel potongan melintang yang disiapkan oleh FEI Helios Nanolab FIB. Peta elemen diperoleh melalui spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS). Penilaian polaritas menggunakan etsa KOH 40 % pada suhu ruang selama 1 jam. PL bergantung suhu dicatat dari 10 K hingga 290 K menggunakan laser 266 nm dalam kriostat pendingin helium. Transmitansi UV-Vis-NIR diukur dengan Shimadzu UV-3600, dan difraksi sinar X (XRD) dilakukan pada Bruker D2 Phaser.

Hasil dan Pembahasan

Stabilitas termal ITO dikonfirmasi: aneling hingga 700 °C menghasilkan resistansi sheet <10 Ω/□ namun memperkenalkan kerusakan permukaan (Gambar 1a–d). Nanowires berekultur langsung pada ITO yang kasar, mempertahankan orientasi vertikal (0001) dengan kepadatan 9.3×10⁹ cm⁻² dan faktor pengisian 73 % (Gambar 2b). Etsa KOH mengungkapkan penghapusan preferensial wajah N-polar, mengonfirmasi polaritas N (Gambar 2d). Pemeriksaan HAADF-STEM dan garis skan EELS (Gambar 3a–b) menunjukkan antarmuka tajam, dengan lapisan transisi ~4 nm yang kemungkinan mewakili lapisan antar GaN campuran tipis (Gambar 3d). TEM resolusi tinggi mengonfirmasi kristal tunggal sepanjang sumbu c (Gambar 3c).

Pengukuran PL (Gambar 4a) menunjukkan emisi tepi band dominan dengan luminesensi kuning yang boleh diabaikan, yang menunjukkan kepadatan defek rendah. PL bergantung suhu (Gambar 4b) mengikuti perilaku Varshni; analisis Arrhenius menghasilkan energi aktivasi 195 meV, dan efisiensi kuantum internal (IQE) yang dihitung pada 10 K adalah ~67 % (Gambar 4c). Spektrum transmitansi (Gambar 4d) menunjukkan bahwa nanowires GaN menyebarkan cahaya visible, mengurangi transmitansi keseluruhan dibandingkan ITO polos, namun substrat tetap sangat transparan. Pola XRD (Gambar 4e) mengungkapkan puncak dari ITO kristal dan refleksi GaN(0002), mengonfirmasi pertumbuhan vertikal pada ITO policristal.

C-AFM nanowires n-doped (Gambar 5a–c) menunjukkan tegangan aktif awal yang tinggi karena hambatan Schottky pada antarmuka GaN/ITO. Pengusulan berikutnya mengurangi hambatan ini, menghasilkan aliran arus yang terukur di seluruh nanowires (Gambar 5d). Perilaku ini, yang diamati pada beberapa nanowires, menunjukkan kemungkinan perangkat yang kuat secara listrik setelah langkah bias awal.

Kesimpulan

Kami telah berhasil menumbuhkan nanowires GaN kristal tunggal pada silika fused terlapisi ITO menggunakan PA-MBE pada suhu rendah. Nanowires menunjukkan perataan vertikal, kualitas kristal tinggi, polaritas N, dan PL tepi band yang kuat tanpa luminesensi kuning. Nanowires n-doped konduktif menunjukkan performa listrik yang viable, menjadikan platform ini calon yang menjanjikan untuk perangkat optoelektronik transparan berkinerja tinggi.

Singkatan

AFM:

Mikroskopi gaya atom

BEP:

Tekanan setara sinar

C-AFM:

Mikroskopi gaya atom konduktif

EELS:

Spektroskopi kehilangan energi elektron

FIB:

Sinar ion terfokus

IQE:

Efisiensi kuantum internal

HAADF:

Medan gelap annular sudut tinggi

HRTEM:

Mikroskopi transmisi elektron resolusi tinggi

ITO:

Indium tin oksida

MOCVD:

Deposisi uap kimia organik logam

PA-MBE:

Epitaksi sinar molekuler bantu plasma

PECVD:

Deposisi uap kimia bantu plasma

PL:

Fotoluminesensi

RF:

Radio frekuensi

RTA:

Aneling termal cepat

sccm:

Sentimeter kubik standar per menit

SEM:

Mikroskopi elektron pencitraan

STEM:

Mikroskopi transmisi elektron pencitraan

TEM:

Mikroskopi transmisi elektron

XRD:

Difraksi sinar X