Pertumbuhan Langsung Kawat Nano Kristal Tunggal GaN pada Silika Lapis Timah Oksida Indium
Abstrak
Dalam karya ini, kami mendemonstrasikan pertumbuhan langsung kawat nano GaN pada substrat silika leburan berlapis indium tin oxide (ITO). Kawat nano ditumbuhkan bebas katalis menggunakan epitaksi berkas molekul berbantuan plasma (PA-MBE). Pengaruh kondisi pertumbuhan pada morfologi dan kualitas kawat nano diselidiki secara sistematis. Karakterisasi struktural menunjukkan bahwa kawat nano tumbuh dalam arah (0001) langsung di atas lapisan ITO tegak lurus terhadap bidang substrat. Karakterisasi optik kawat nano menunjukkan bahwa pendaran kuning tidak ada dari respons fotoluminesensi kawat nano, yang dikaitkan dengan rendahnya jumlah cacat. Pengukuran mikroskop gaya atom konduktif (C-AFM) pada kawat nano GaN yang didoping-n menunjukkan konduktivitas yang baik untuk kawat nano individu, yang menegaskan potensi penggunaan platform ini untuk aplikasi perangkat baru. Dengan menggunakan proses pertumbuhan suhu yang relatif rendah, kami berhasil menumbuhkan material GaN kristal tunggal berkualitas tinggi tanpa degradasi lapisan ITO yang mendasarinya.
Pengantar
Perangkat berbasis III-nitrida yang tersedia secara komersial sebagian besar bergantung pada safir sebagai substrat pertumbuhan, karena dapat mengakomodasi pertumbuhan GaN dengan kualitas material yang dapat diterima. Namun, tantangan dalam memproduksi substrat safir berdiameter besar sambil mempertahankan kualitas permukaan substrat yang dapat diterima tetap menjadi kendala dalam meningkatkan produksi [1, 2]. Alternatif yang layak untuk safir sebagai substrat pertumbuhan III-nitrida adalah dengan menggunakan substrat berbasis silika, karena secara ekonomi lebih murah dan banyak digunakan dalam aplikasi industri dan konsumen. Namun, karena substrat berbasis silika secara inheren non-konduktor, lapisan konduktor non-transparan harus digunakan untuk mengaktifkan konduktivitas listrik [3, 4]. Oleh karena itu, metode untuk memberikan konduktivitas dan transparansi simultan di atas substrat silika menjadi sangat penting. Kami sebelumnya telah menggunakan interlayer Ti tipis sebagai situs nukleasi nanowire untuk memberikan transparansi dan konduktivitas simultan [5]. Namun, karena lapisan tipis Ti diperlukan, konduktivitas listrik sampel menjadi terbatas.
Metode lain yang mungkin untuk substrat transparan dan konduktor adalah dengan menggunakan indium timah oksida (ITO) sebagai situs nukleasi GaN, karena transparan dan konduktif secara elektrik dan dapat disimpan di area permukaan yang luas. Teknologi ITO sudah matang, dan telah banyak digunakan di berbagai industri untuk elektroda transparan. Teknik konvensional saat ini yang digunakan untuk memproduksi GaN, bagaimanapun, tidak kompatibel dengan ITO. Suhu tinggi yang diperlukan untuk memecah prekursor yang digunakan dalam pertumbuhan deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) menyebabkan degradasi lapisan ITO. Oleh karena itu, diperlukan metode pertumbuhan GaN suhu rendah yang mampu menghasilkan material berkualitas tinggi. Upaya sebelumnya untuk menumbuhkan GaN pada ITO pada suhu rendah menggunakan sputtering dan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) telah dilakukan [6-12]. Namun, metode pertumbuhan suhu rendah biasanya menyebabkan bahan polikristalin dan sejumlah besar cacat.
Dalam karya ini, kami berusaha untuk menghindari masalah ini melalui pertumbuhan langsung kawat nano kristal GaN pada silika leburan berlapis ITO menggunakan epitaksi balok molekul berbantuan plasma (PA-MBE). Dalam PA-MBE, spesies nitrogen aktif disuplai ke sistem dengan memutus ikatan antara N2 murni gas menggunakan daya RF. Dengan demikian, suhu pertumbuhan dapat secara signifikan lebih rendah dibandingkan dengan metode pertumbuhan epitaksi GaN lainnya, mencegah degradasi lapisan ITO. Dengan memanfaatkan kawat nano GaN, dimungkinkan untuk menumbuhkan GaN berkualitas tinggi di atas lapisan ITO polikristalin. Karena relaksasi regangan dan penyaringan dislokasi threading dikaitkan dengan rasio permukaan terhadap volume yang tinggi dari kawat nano [13, 14], kawat nano GaN biasanya menunjukkan kristalinitas tunggal dan tidak ada dislokasi threading meskipun kurangnya pencocokan kisi antara kawat nano dan kawat nano yang mendasarinya. lapisan nukleasi [15].
Kami menyelidiki morfologi kawat nano dan hubungannya dengan lapisan ITO yang mendasarinya, karakteristik optik kawat nano, dan kelayakan menggunakan platform ini untuk aplikasi perangkat. Karakterisasi struktural menggunakan mikroskop elektron mengungkapkan bahwa kawat nano tumbuh langsung pada lapisan ITO tegak lurus terhadap bidang substrat dalam arah bidang-c (0001). Pengukuran fotoluminesensi memberikan nilai efisiensi kuantum internal (IQE) yang baik, sedangkan pendaran kuning yang terkait dengan cacat tidak ada dalam spektrum emisi. Akhirnya, mikroskop kekuatan atom konduktif (C-AFM) pada kawat nano GaN yang didoping-n menegaskan bahwa kawat nano itu konduktif, menyoroti kemungkinan fabrikasi perangkat baru menggunakan kawat nano GaN pada platform ITO. Dari pekerjaan kami, kami membuka potensi pertumbuhan kawat nano III-nitrida di atas ITO untuk aplikasi perangkat yang memerlukan transparansi dan konduktivitas substrat.
Metode
Deposisi Film Tipis ITO
Lapisan tipis ITO yang digunakan dalam percobaan ini diendapkan menggunakan metode RF magnetron sputtering. Pengendapan dilakukan pada suhu lingkungan dengan plasma argon pada daya RF 60 W, tekanan ruang 2,5 mTorr, dan laju aliran gas standar 25 sentimeter kubik per menit (sccm). Sebelum dideposisi, sampel dibersihkan dengan pelarut standar pembersih menggunakan aseton dan isopropil alkohol. Film tipis ITO setebal 100 nm diendapkan langsung pada silika telanjang.
Pertumbuhan Kawat Nano III-Nitrida
Sampel kawat nano GaN ditumbuhkan menggunakan reaktor Veeco Gen 930 plasma-assisted molecular beam epitaksi (PA-MBE). Sebelum pertumbuhan MBE, substrat silika berlapis ITO dianil di dalam tungku anil termal cepat (RTA) pada 650 ° C di bawah lingkungan Ar selama 5 menit untuk meningkatkan kristalinitas lapisan ITO. Sebelum dimasukkan ke dalam chamber, sampel dibersihkan menggunakan metode pembersihan pelarut standar. Sampel menjalani pembersihan termal berikutnya pada 200 °C dan 650 °C di dalam kunci beban MBE dan ruang persiapan masing-masing untuk menghilangkan kelembapan dan kontaminan lainnya.
Selama pertumbuhan kawat nano, kami menggunakan nilai Ga beam equivalent pressure (BEP) sebesar 1×10
−7
Torr menurut pembacaan pengukur ion BFM. Semua suhu substrat diukur menggunakan termokopel. Untuk mendorong pertumbuhan kawat nano, lapisan penyemaian awal diendapkan pada suhu 500 °C. Setelah deposisi lapisan penyemaian awal, suhu substrat dinaikkan menjadi 700 °C untuk pertumbuhan kawat nano.
Karakterisasi Struktural, Optik, dan Elektrikal
Morfologi permukaan lapisan ITO diselidiki menggunakan sistem mikroskop gaya atom (AFM) Agilent 5500 SPM. Karakteristik listrik sampel diukur dengan menggunakan AFM konduktif (C-AFM) dalam mode kontak. Untuk meningkatkan kontak listrik antara kawat nano dan ujung C-AFM, lapisan Ni / Au dengan ketebalan 5/5 nm diendapkan di atas kawat nano menggunakan penguapan e-beam, diikuti oleh anil termal cepat pada 600 ° C di lingkungan atmosfer. Pengukuran C-AFM dilakukan dengan menggunakan ujung AFM berlapis Pt/Ir dan menerapkan bias pada lapisan ITO sampel. Seperti dalam konfigurasi C-AFM kami, bias diterapkan pada substrat, aliran arus positif menunjukkan arus yang mengalir dari sampel ke ujung AFM.
Kualitas struktural kawat nano GaN yang ditanam di atas ITO diselidiki menggunakan karakterisasi mikroskop elektron transmisi (TEM). Sampel TEM penampang disiapkan menggunakan FEI Helios Nanolab 400s Dual Beam Focused Ion Beam (FIB) SEM. Pencitraan SEM dilakukan menggunakan sistem SEM FEI Nova Nano dan Zeiss Merlin. Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dan karakterisasi bidang gelap annular sudut tinggi STEM (HAADF-STEM) resolusi tinggi dilakukan menggunakan mikroskop elektron transmisi Titan 80-300 ST (Perusahaan FEI). Peta komposisi unsur diperoleh melalui spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS).
Untuk menyelidiki polaritas kawat nano, kami menggunakan etsa berbasis KOH. Telah dilaporkan bahwa etsa kimia basah menggunakan KOH menunjukkan etsa preferensial untuk N-face GaN. Oleh karena itu, polaritas dapat ditentukan dengan membandingkan morfologi kawat nano sebelum dan sesudah etsa KOH. Kami merendam kawat nano GaN pada sampel ITO dalam larutan KOH 40% selama 1 jam dalam suhu kamar dan membandingkan morfologi sebelum dan sesudah perendaman kimia untuk menentukan polaritas pertumbuhan kawat nano.
Kami menyelidiki sifat optik dari kawat nano GaN yang ditanam langsung di atas ITO dengan menggunakan pengaturan pengukuran photoluminescence (PL) yang bergantung pada suhu dan daya. Sampel dimasukkan ke dalam cryostat berpendingin helium dan dieksitasi menggunakan laser 266 nm (Teem photonics SNU-20F-10x). Suhu divariasikan dari 10 hingga 290 K. Kami pertama-tama mempelajari respons fotoluminesensi yang bergantung pada daya, dilakukan pada 10 K. Pengukuran transmisi dilakukan menggunakan spektrofotometer UV-Vis-NIR (Shimadzu UV-3600).
Pengukuran difraksi sinar-X (XRD) dilakukan menggunakan sistem XRD bubuk Bruker D2 Phaser.
Hasil dan Diskusi
Karena pertumbuhan suhu tinggi dari kawat nano GaN dapat mengakibatkan degradasi lapisan ITO yang mendasarinya, pertama-tama kami menyelidiki efek anil termal pada ITO telanjang yang disimpan di atas substrat silika. Eksperimen dilakukan di dalam ruang penyangga MBE di bawah 10
−8
Tekanan torsi untuk mensimulasikan kondisi pertumbuhan aktual. Setelah anil, konduktivitas listrik ITO telanjang diukur menggunakan pengukuran probe empat titik, dan kekasaran permukaan diselidiki menggunakan mikroskop gaya atom (AFM). Dari percobaan anil, yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, kami menemukan bahwa nilai resistansi lembaran film tipis ITO tetap di bawah 10 \(\Omega / \square \). Namun, pada suhu annealing yang lebih tinggi, film tipis ITO menjadi lebih kasar dengan ukuran butir yang lebih besar, ditunjukkan pada Gambar. 1b–d.
Pengaruh suhu annealing pada karakteristik listrik dan fisik film tipis ITO yang diendapkan. a Resistansi lembaran diukur dengan probe empat titik setelah anil pada suhu yang berbeda. Topografi permukaan AFM dari film tipis ITO yang diperoleh setelah menganil sampel di b 500 °C, c 600 °C, dan d 700 °C
Proses pertumbuhan kawat nano diilustrasikan pada Gambar. 2
a Skema yang menggambarkan pertumbuhan kawat nano GaN pada permukaan ITO yang kasar. Inset menunjukkan pandangan rencana SEM dari permukaan ITO kasar setelah anil termal. b Tampilan rencana kawat nano GaN yang ditanam di ITO. c Tampilan ketinggian kawat nano GaN yang ditanam di ITO. d Tampilan elevasi kawat nano GaN setelah 1 jam etsa KOH, memperlihatkan ujung kawat nano GaN yang tergores
sebuah. Seperti yang ditunjukkan pada hasil AFM, annealing lapisan ITO pada suhu tinggi akan menghasilkan permukaan ITO yang kasar dengan ukuran butir yang besar. Selama pertumbuhan MBE, kawat nano GaN tetangga yang tumbuh di permukaan satu butir cenderung menyatu dan membentuk kawat nano yang lebih besar yang terdiri dari sekelompok kawat nano. Oleh karena itu, morfologi ITO yang mendasarinya akan secara langsung mempengaruhi morfologi kawat nano yang tumbuh di atasnya. Tampilan rencana mikrograf mikroskop elektron pemindaian (SEM) ditunjukkan pada Gambar. 2b. Dari tampilan rencana, kepadatan nanowire secara statistik diperkirakan 9,3×10
9
cm
−2
dengan fill factor 73%. Tampilan penampang sampel ditunjukkan pada Gambar. 2c. Kawat nano tumbuh tegak lurus terhadap bidang substrat dengan beberapa derajat kemiringan langsung di atas lapisan ITO.
Gambar SEM sampel kawat nano setelah 1 jam perendaman dalam larutan KOH 40% ditunjukkan pada Gambar 2d. Dapat dilihat bahwa setelah perlakuan kimia, ujung kawat nano tergores sebagian, yang menunjukkan polaritas-N. Temuan ini sesuai dengan hasil yang dilaporkan sebelumnya di mana kawat nano III-nitrida yang tumbuh secara spontan biasanya N-polar [16–19].
Gambar 3a menunjukkan mikroskop elektron transmisi medan gelap annular sudut tinggi (HAADF-STEM) dari kawat nano. Kawat nano tumbuh langsung di atas lapisan ITO. Untuk mempelajari komposisi unsur antarmuka antara kawat nano dan lapisan ITO, kami melakukan pemindaian garis pemetaan unsur untuk Ga, In, N, dan O menggunakan EELS di area yang dibatasi dalam kotak merah. Profil pemindaian garis ditunjukkan pada Gambar. 3b. Profil garis menunjukkan batas yang jelas antara kawat nano GaN dan ITO. Gambar TEM resolusi tinggi dari kawat nano tunggal pada Gambar. 3c menunjukkan susunan kisi kawat nano, mengkonfirmasikan kristalinitas tunggal material. TEM resolusi tinggi pada antarmuka antara kawat nano GaN dan lapisan ITO pada Gambar. 3d menunjukkan apa yang tampak sebagai lapisan perantara (IL) yang terdiri dari campuran antara lapisan polikristalin dan amorf setebal sekitar 4 nm antara dasar kawat nano dan ITO . Lapisan tipis ini diduga merupakan lapisan transisi GaN, terbentuk antara lapisan ITO polikristalin dan lapisan GaN kristal. Lapisan serupa telah dilaporkan sebelumnya di mana kawat nano GaN ditanam langsung di atas lapisan silika leburan amorf [15].
TEM dan pemetaan unsur kawat nano GaN yang ditumbuhkan pada lapisan ITO. a Gambar HAADF dari kawat nano GaN langsung tumbuh di atas lapisan ITO. Kotak merah menunjukkan di mana pemindaian garis EELS dilakukan. b Profil pemindaian garis EELS dari antarmuka antara dasar kawat nano GaN dan lapisan ITO. Pemetaan unsur untuk Ga, In, N, dan O ditunjukkan pada grafik. c TEM resolusi tinggi dari kawat nano GaN, menunjukkan kristalinitas tunggal. Panah merah menunjukkan arah pertumbuhan. Jarak antar bidang sesuai dengan bidang c GaN. d Gambar TEM resolusi tinggi dari antarmuka antara kawat nano GaN dan lapisan ITO. Lapisan perantara amorf sebagian (IL) dapat dilihat antara kawat nano GaN dan lapisan ITO, diikat oleh garis merah putus-putus
Hasil fotoluminesensi yang bergantung pada suhu ditunjukkan pada Gambar. 4a. Dari pengukuran, terlihat bahwa pendaran kuning yang umumnya terkait dengan cacat pada material GaN adalah sekitar tiga magnitudo lebih rendah dari emisi tepi pita GaN, menyoroti pertumbuhan material GaN berkualitas tinggi. Fotoluminesensi yang bergantung pada suhu ditunjukkan pada Gambar. 4b. Hasilnya menunjukkan pergeseran merah dengan peningkatan suhu yang umumnya terkait dengan penciutan celah pita Varshni. Intensitas emisi puncak berkurang dengan peningkatan suhu karena aktivasi pusat rekombinasi nonradiatif. Pemasangan Arrhenius dilakukan pada perubahan intensitas terintegrasi PL terhadap suhu, ditunjukkan pada Gambar. 4c. Pemasangan memberikan energi aktivasi sebesar 195 meV. Dengan menggunakan rasio intensitas terintegrasi pada 290 K dan 10 K, kami memperkirakan efisiensi kuantum internal kawat nano menjadi sekitar 67%.
a Pengukuran kabel nano GaN yang bergantung pada daya yang ditanam pada Indium Tin Oxide dilakukan pada 10 K. b PL yang bergantung pada suhu dari kawat nano GaN yang ditumbuhkan pada lapisan ITO. c Energi aktivasi yang dihitung berdasarkan pengukuran PL yang bergantung pada suhu. d Transparansi substrat silika leburan, lapisan ITO anil pada silika leburan, dan kawat nano GaN yang ditumbuhkan pada lapisan ITO; e Profil XRD untuk silika leburan telanjang, film tipis ITO as-deposited, film tipis ITO anil, dan kawat nano GaN yang ditanam di ITO
Gambar 4d menunjukkan perubahan transmitansi untuk ITO anil, silika leburan, dan kawat nano GaN pada ITO/silika. Transmisi sampel berkurang setelah pertumbuhan kawat nano GaN. Karena kawat nano GaN tidak menyerap dalam rentang panjang gelombang yang terlihat, transmisi yang berkurang dapat dikaitkan dengan hamburan cahaya yang disebabkan oleh kawat nano itu sendiri.
Gambar 4e menunjukkan hasil XRD dari substrat silika telanjang, substrat silika dengan ITO as-deposited, ITO/silika anil RTP, dan kawat nano GaN yang ditanam pada ITO/silika. Tidak ada puncak XRD yang dapat diamati pada lapisan ITO yang diendapkan, menunjukkan lapisan yang hampir amorf. Setelah anil RTP, puncak ITO(211), ITO(222), ITO(400), ITO(440), dan ITO (622) dapat diamati, menunjukkan bahwa anil meningkatkan kristalinitas lapisan ITO, yang sesuai dengan laporan sebelumnya [20]. Puncak yang paling dominan adalah puncak ITO(222) dan puncak ITO(400). Puncak GaN(0002) terukur di 2 θ scan menunjukkan bahwa bidang ini sejajar dengan bidang ITO, yang menunjukkan bahwa kawat nano GaN tumbuh pada lapisan ITO polikristalin.
Untuk menguji apakah kawat nano GaN pada platform ITO layak untuk aplikasi perangkat, kami telah menumbuhkan kawat nano GaN dengan kawat nano GaN yang didoping-n menggunakan silikon sebagai dopan dan mengukur karakteristik IV dari kawat nano individu menggunakan C-AFM. Melalui metode ini, kami memperoleh data statistik IV dari sampel. Pengukuran yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar. 5.
a Pemetaan C-AFM dari topologi kawat nano. b Arus ujung yang sesuai, dengan bias -8V diterapkan pada sampel. c Kurva I-V dari kawat nano tunggal dengan bias tegangan sampel dari -10 V hingga 10 V, menunjukkan karakteristik I-V yang berbeda antara sapuan awal dan kedua. d Distribusi kurva IV dari sejumlah kawat nano, setelah sapuan punch-through awal
Pemetaan arus pada Gambar 5b menunjukkan bahwa kawat nano pada Gambar 5a awalnya non-konduktor, dengan hanya beberapa titik yang menunjukkan aliran arus. Untuk menyelidiki lebih baik mengapa kawat nano tidak konduktor, kami melakukan karakterisasi IV pada masing-masing kawat nano. Kisaran sapuan tegangan sampel adalah dari 10 hingga 10 V, dengan arus ujung yang dihasilkan berkisar dari 10 hingga 10 nA, yang dibatasi oleh spesifikasi sistem AFM. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 5c. Untuk sapuan pertama, kami menemukan bahwa kawat nano menunjukkan tegangan nyala yang sangat tinggi, menunjukkan perilaku kontak Schottky antara lapisan n-GaN dan ITO. Namun, setelah mengulangi pengukuran, kami menemukan bahwa tegangan pengaktifan kurva IV telah berkurang secara signifikan, dikaitkan dengan penurunan ketinggian penghalang Schottky. Kami mengamati tren penurunan tegangan penyalaan ini setelah tegangan punch-through awal menyapu beberapa kawat nano di area pemindaian AFM yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, mengonfirmasi bahwa ini berlaku untuk semua kawat nano yang ditanam di ITO. Mekanisme yang tepat dari penurunan tegangan nyala masih memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Laporan sebelumnya telah menunjukkan bahwa menerapkan tegangan tinggi ke material mungkin telah menginduksi jalur pembawa arus melalui gangguan listrik [21, 22], atau memodifikasi struktur kawat nano GaN itu sendiri [23] yang mengarah ke peningkatan tegangan nyala.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami telah melakukan pertumbuhan kawat nano GaN di atas film tipis ITO yang diendapkan pada substrat silika yang menyatu. Karakterisasi fisik menggunakan mikroskop elektron menunjukkan bahwa kawat nano tumbuh tegak lurus terhadap bidang substrat, sambil mempertahankan kualitas kristal yang tinggi. Emisi tepi pita GaN yang kuat terdeteksi melalui karakterisasi fotoluminesensi, sedangkan pendaran kuning yang umumnya terkait dengan cacat tidak ada. Kawat nano memiliki polaritas N yang lebih disukai, ditunjukkan oleh pengetsaan preferensi bidang kristal dalam larutan KOH. Pengukuran C-AFM pada kawat nano yang didoping-n menunjukkan konduktivitas yang baik, yang menyoroti kemungkinan platform untuk aplikasi perangkat.
