Самокаталитический рост вертикальных нанопроволок GaSb на стеблях InAs методом МОХФО

Аннотация

Сообщается о первом самокаталитическом синтезе высококачественных нанопроволок GaSb на стеблях InAs методом металло-органической химической фазовой осаждения (МОХФО) на подложках Si(111). Используя двухступенчатый протокол подачи триметилгаллия (TMGa) и триметилアンтимонида (TMSb), сначала сохраняют капли Ga на тонких стеблях InAs при умеренных потоках прекурсоров, затем повышают потоки для ускорения осевого роста. При 500 °C более низкая скорость радиального роста GaSb дает большие диаметры, чем при 520 °C, однако более низкая сверхнасыщенность Гиббса-Томсона при более низкой температуре обеспечивает более длинные нанопроволоки. Протяженная электронная микроскопия (ПЭМ) подтверждает безупречную цинкблендовую кристаллическую структуру. Метод применим к другим антименидным нанопроволокам и открывает перспективы для передовых нанопроволочных устройств и квантовых исследований.

Введение

III-V полупроводниковые нанопроволоки рассматриваются как краеугольный камень электроники, оптики и квантовых технологий следующего поколения благодаря уникальным электронным, оптическим и геометрическим свойствам. Среди III-V соединений антимениды выделяются узкой прямой запрещенной зоной, малым эффективным массой носителей и исключительной подвижностью, что делает их идеальными для СВ- и ДВ-ИК фотодетекторов, низковольтных высокоскоростных транзисторов и фундаментальных квантовых исследований. Однако большая атомная масса, низкая летучесть Sb и низкая температура плавления III-антименидов делают рост нанопроволок исключительно сложным.

Нанопроволоки GaSb в основном росли с Au-катализаторами, вносящими глубокие уровни рекомбинации и ухудшающими электронные характеристики. Поэтому бескатализаторный рост крайне желателен. Вертикальный рост осложняется барьерами нуклеации на подложках, обычно обходимыми короткими стеблями другого материала. Недавние работы по МЛЭП продемонстрировали самокаталитический GaSb на стеблях GaAs, но бескатализаторный МОХФО-рост на стеблях InAs не сообщался. В данном исследовании представлен самокаталитический рост GaSb на стеблях InAs методом МОХФО на Si(111). Низкая несоответствие решеток (0.6 %) и тип-II разорванная зональная схема InAs/GaSb создают новую платформу аксиальных гетероструктур для туннельных устройств, высокоскоростного CMOS, гибридизации электрон-дырки и экcitoн-спиновой физики.

Тщательным контролем потоков прекурсоров достигли вертикальные нанопроволоки GaSb с гладкими боковыми поверхностями. Двухступенчатая стратегия потоков TMGa/TMSb сохраняет капли Ga на начальном этапе, затем усиливает осевой рост. При 500 °C нанопроволоки GaSb показывают большие диаметры и длины, чем при 520 °C, что обусловлено динамикой радиального роста и эффектами сверхнасыщенности Гиббса-Томсона. ПЭМ раскрывает стебли InAs со смешанными политипами вурцит/цинкбленд, в то время как сегменты GaSb дефектно-свободны и имеют цинкблендовую структуру.

Методы

Рост нанопроволок

Гетероструктурные нанопроволоки синтезировали в реакторе МОХФО с близким душным головкой (AIXTRON Ltd.) при 133 мбар. TMIn и TMGa служили III-групповыми прекурсорами; арсин (AsH₃) и TMSb — V-групповыми. Ультрачистый H₂ был переносным газом (12 slm). Si(111) подложки предварительно отжигали при 635 °C, затем охлаждали до 400 °C под AsH₃ для формирования (111)B-подобных поверхностей. Стебли InAs росли при 545 °C в течение 45 с (TMIn: 1.0×10⁻⁶ моль/мин, AsH₃: 2.0×10⁻⁴ моль/мин). Потоки переключали на TMGa/TMSb и охлаждали подложку до нужной температуры роста GaSb. Образцы в итоге охлаждали до комнатной температуры с TMSb как защитным слоем.

Методы характеристики

Морфологию изучали РЭМ (Nova Nano SEM 650). ПЭМ (JEM-2010F, 200 кВ) в связке с рентгеновской спектроскопией рассеяной энергии (ЭДС) исследовали кристаллическую структуру и состав. Рамановская спектроскопия (Jobin-Yvon HR Evolution, лазер 532 нм, 0.36 мВт, пятно ~1 мкм) оценивала оптическое качество.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 иллюстрирует схему аксиального роста и последовательность прекурсоров. Рост идет по самокаталитическому ВЖТ-механизму, с переходом катализатора от In к Ga при смене потоков. Более крупные капли Ga на стеблях InAs объясняют более толстые сегменты GaSb. Для предотвращения соскальзывания капель сначала применяли низкие потоки TMGa/TMSb (0.35×10⁻⁶ и 2.0×10⁻⁶ моль/мин, V/III ≈ 5.7) в течение 15 мин. Затем потоки удваивали (0.7×10⁻⁶ и 4.0×10⁻⁶ моль/мин) для усиления аксиального роста, сохраняя то же отношение V/III. Этот двухступенчатый протокол дает вертикальные нанопроволоки GaSb на стеблях InAs.

РЭМ-изображения при 480, 500, 520 и 545 °C (рис. 2a–d) показывают температурно-зависимое поведение. При 480 °C GaSb растет радиально или пласно; при 500–520 °C достигается аксиальный рост; при 545 °C стебли InAs декомпозируются, вызывая падение нанопроволок. Оптимальный рост требует точного температурного контроля.

Статистический анализ (рис. 3) показывает, что нанопроволоки с большим диаметром растут длиннее, что согласуется с более низкой сверхнасыщенностью в меньших каплях (эффект Гиббса-Томсона). При 500 °C средний диаметр ~206 нм, длина ~330 нм; при 520 °C диаметр ~168 нм, длина ~275 нм. Нижняя температура роста снижает сверхнасыщенность капли, усиливая аксиальный рост.

Скорость аксиального роста следует v∝(Δμ/k_BT)², где Δμ — сверхнасыщенность, определяемая концентрацией Sb в капли Ga. Меньшие капли имеют более высокое паровое давление, уменьшая Δμ и замедляя рост. Выводы согласуются с предыдущими исследованиями GaAsP, InAs/InSb, InGaSb.

Сравнение GaSb, выращенного прямо на Si, и с стеблями InAs (рис. 4) демонстрирует ключевую роль стеблей. Прямой рост на Si способствует планарной ориентации из-за поверхностного эффекта Sb, тогда как стебли InAs обеспечивают вертикальные нанопроволоки с гладкими боками и равномерными диаметрами. Диаметр InAs-сегмента совпадает с верхом GaSb, указывая на усиленный радиальный рост вокруг короткого стебля, вероятно, за счет диффузии ад-атомов с подложки.

ПЭМ-анализ (рис. 5) подтверждает дефектно-свободный цинкблендовый GaSb и раскрывает смешанную WZ/ZB политипию стебля InAs с многочисленными пласкостными дефектами. Эти дефекты могут ограничивать подвижность носителей, подчеркивая преимущество включения Sb для инженерии кристаллической фазы.

Рентгеновские спектры ЭДС (рис. 6) показывают, что капля содержит преимущественно Ga с следами In, подтверждая самокаталитический механизм. Сегмент GaSb демонстрирует стехиометрию Ga:Sb 1:1, в то время как InAs-секция показывает остаточный In и As из-за неполного отключения прекурсоров.

Рамановские спектры (рис. 7) демонстрируют TO и LO фононные моды при ~225 см⁻¹ и ~233 см⁻¹ для нанопроволок, слегка смещенные относительно объемного GaSb (226.5 и 235.2 см⁻¹). Смещение, вероятно, вызвано поверхностными дефектами, а не квантовым замыканием, учитывая большие диаметры. Наличие обеих мод подтверждает высокое оптическое качество.

Заключение

Продемонстрирован самокаталитический МОХФО-рост вертикальных нанопроволок GaSb на стеблях InAs. Двухступенчатый протокол TMGa/TMSb сохраняет капли Ga, затем усиливает аксиальный рост. При 500 °C нанопроволоки имеют большие диаметры и длины, чем при 520 °C, тренд управляемый кинетикой радиального роста и сверхнасыщенностью Гиббса-Томсона. ПЭМ подтверждает дефектно-свободный цинкблендовый GaSb на смешанно-фазных стеблях InAs, рамановская спектроскопия указывает на отличное оптическое качество. Масштабируемый метод применим к другим антименидным нанопроволокам и открывает пути для нанопроволочных устройств и квантовых исследований.

Аббревиатуры

CMOS

Комплементарный металл-оксид-полупроводник (Complementary metal‑oxide‑semiconductor)

EDS

Энергодисперсионная спектроскопия (Energy dispersive spectroscopy)

FFT

Быстрое преобразование Фурье (Fast Fourier transform)

LO

Продольно-оптический (Longitudinal optical)

MBE

Молекулярно-лучевая эпитаксия (Molecular beam epitaxy)

MOCVD

Металло-органическая химическая фазовая осадка (Metal‑organic chemical vapor deposition)

SEM

Растровое электронное микроскопирование (Scanning electron microscopy)

SF

Стекающаяся ошибка (Stacking fault)

TEM

Протяженная электронная микроскопия (Transmission electron microscopy)

TMGa

Триметилгаллий (Trimethylgallium)

TMSb

Триметилантиманид (Trimethylantimony)

TO

Поперечно-оптический (Transversal optical)

TP

Плоскость сдвоения (Twin plane)

VLS

Пар-жидкость-твердое тело (Vapor‑liquid‑solid)

ZB

Цинкбленда (Zinc‑blende)