Самосеменной MOCVD-синтез InGaAs/InP нанопроводников с оболочкой: высокое фотосвечение и деформированный рост

Аннотация

Представлен самосеменной рост InGaAs/InP нанопроводников с ядром-оболочкой методом MOCVD на подложках Si-(111) с детальным оптическим и структурным анализом. Существенное несоответствие решеток между ядром InGaAs и оболочкой InP вызывает сильное напряжение на границе, что приводит к асимметричному росту оболочки и изгибу нанопроводников. Передаточная электронная микроскопия (TEM) подтверждает, что оболочка InP остается когерентной с ядром InGaAs без дислакаций несоответствия. Фотосвечение (PL) при 77 К показывает ~100-кратное увеличение пиковой интенсивности для ядро-оболочечных структур по сравнению с голыми InGaAs нанопроводниками, что объясняется эффективной пассивацией поверхностных состояний и замыканием носителей в оболочке InP. Результаты углубляют понимание деформированных ядро-оболочечных нанопроводников и указывают на их потенциал в Si-совместимых оптоэлектронных устройствах.

Введение

III-V полупроводниковые нанопроводники становятся ключевыми компонентами для наноэлектроники и фотоники следующего поколения благодаря уникальным электронным, оптическим и геометрическим свойствам. InGaAs нанопроводники особенно привлекательны за настраиваемую прямую запрещенную зону, малую эффективную массу и высокую подвижность носителей. Интеграция на Si платформы сочетает преимущества III-V физики с зрелой CMOS технологией, а геометрия нанопроводников смягчает проблемы несоответствия решеток.

Однако высокое отношение поверхность/объем вводит множество поверхностных состояний, деградирующих характеристики через рассеятие и нерадиативную рекомбинацию. Для узкозонных III-V материалов банд-бендинг из-за поверхностных состояний перераспределяет носители и ухудшает работу устройств. Пассивация поверхности критична. InGaAs/InP ядро-оболочечные структуры идеальны: тип-I выравнивание зон замыкает носители в ядре InGaAs, а оболочка InP с длиной волны излучения 1,31–1,55 мкм подходит для волоконно-оптической связи.

В работе выращивают и характеризуют InGaAs/InP нанопроводники на Si-(111) методом MOCVD. Показано, что деформация от несоответствия решеток управляет ростом оболочки, вызывая асимметричное покрытие и изгиб. Оптимизация параметров роста дает высококачественные структуры с 100-кратным усилением PL за счет подавления поверхностных состояний и замыкания носителей.

Методы / Эксперимент

Рост нанопроводников

Нанопроводники выращивали в близкосопряженном MOCVD реакторе (AIXTRON, Германия) при 133 мбар. Прекурсоры: триметилиний (TMIn), триметилгаллий (TMGa), арсин (AsH₃), фосфин (PH₃). Водород (12 slm) как переносной газ. Подложки Si-(111) закаливали при 635 °C, затем охлаждали до 400 °C под AsH₃ для формирования (111)B-подобной поверхности. Ядра InGaAs росли при 565 °C 15 мин с потоками TMIn 0,8×10⁻⁶ моль/мин и AsH₃ 1,0×10⁻⁴ моль/мин; поток TMGa варировали для настройки In/Ga отношения (Xv = 30–40 %). Оболочка InP осаждали при 565 °C 10 мин с TMIn (2×10⁻⁶ моль/мин) и PH₃ (8,0×10⁻⁴ моль/мин). Охлаждение до комнатной температуры в атмосфере PH₃ предотвращало окисление.

Методы характеристики

Морфологию изучали SEM (Nova Nano SEM 650) и TEM (JEM2010F, 200 кВ). Энергодисперсионная спектроскопия (EDS) давала составной анализ. Образцы для TEM переносили механически на углеродные сетки. Фотосвечение (PL) измеряли лазером 532 нм (~100 мВт, пятно 150 мкм) и Фурье-спектрометром с жидкостно-азотным InSb детектором.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 иллюстрирует последовательность роста. InGaAs нанопроводники нуклеируются самокаталитическим механизмом: капли In расходуются под AsH₃, затем поток переключают на PH₃ и вводят TMIn для эпитаксиального наращивания InP.

SEM (рис. 2) показывает, что голые InGaAs нанопроводники вертикально выровнены с равномерным диаметром. После наращивания InP грань остаются гладкими, что говорит об оптимизации параметров. Средний диаметр растет с ~65 нм (ядро) до ~95 нм (ядро-оболочка), что соответствует ~15 нм оболочке InP. При Xv = 30 % нанопроводники изгибаются из-за напряжения. Увеличение Xv до 35 % уменьшает изгиб, а при 40 % они становятся прямыми, что согласуется с уменьшением несоответствия решеток и увеличением диаметра ядра.

TEM и EDS (рис. 3, 4) подтверждают когерентную оболочку InP без дислакаций несоответствия. InP принимает смешанную вурците/цинкблендовую структуру ядра InGaAs. EDS линейные сканы показывают, что при Xv = 30 % оболочка асимметрична, но становится симметричной при росте Ga, коррелируя с уменьшением изгиба.

Спектры PL (рис. 5) демонстрируют 100-кратный рост интенсивности для ядро-оболочечных структур, пик смещается с ~0,73 эВ (голое ядро) на ~0,78 эВ (ядро-оболочка). Синий сдвиг (~50 мэВ) объясняется расширением запрещенной зоны под действием напряжения и устранением поверхностных состояний. Ядро-оболочечные структуры также показывают более узкий FWHM, указывая на снижение нерадиативных каналов.

Температурно-зависимое PL (рис. 6) показывает, что излучение ядро-оболочки остается интенсивным до комнатной температуры, пики 1,49–1,68 мкм — в диапазоне телекома. Ожидаемый красный сдвиг с температурой частично подавляется ниже 60 К, вероятно, из-за захвата носителей структурными дефектами, типичным для ансамблей нанопроводников.

Заключение

Показано, что самосеменной MOCVD рост InGaAs/InP ядро-оболочечных нанопроводников на Si-(111) дает структуры с когерентными границами, низкой дефектностью и выдающейся фотосветочной эффективностью. Напряжение на границе ядро-оболочка диктует морфологию оболочки, но правильное включение Ga подавляет изгиб. Оболочка InP эффективно пассивирует поверхностные состояния и замыкает носители, давая ~100-кратный рост PL и комнатное излучение в телекомовском окне. Результаты закладывают основу для высокопроизводительных Si-совместимых оптоэлектронных устройств на InGaAs нанопроводниках.

Аббревиатуры

BF

Bright-field (светлое поле)

CMOS

Complementary metal-oxide-semiconductor (КМОП)

EDS

Energy-dispersive spectroscopy (энергодисперсионная спектроскопия)

FTIR

Fourier transform infrared (Фурье-ИК спектроскопия)

FWHM

Full width at half maximum (ширина на полувысоте)

LED

Light-emitting diode (светодиод)

MOCVD

Metal-organic chemical vapor deposition (металлоорганическая химическая осаждение из паровой фазы)

PL

Photoluminescence (фотосвечение)

SAED

Selected area electron diffraction (выборка электронной дифракции)

SEM

Scanning electron microscopy (растровое электронное микроскопирование)

TEM

Transmission electron microscopy (пропускная электронная микроскопия)

TMGa

Trimethylgallium (триметилгаллий)

TMIn

Trimethylindium (триметилиний)

ZB

Zinc-blende (цинкбленда)