Прямой бескатализаторный рост высококачественных нанопроводников GaN на ИОС-покрытом кварцевом стекле плазменно-ассистированным МЛЭ

Аннотация

Мы демонстрируем бескатализаторный рост одиночно-кристаллических нитрида галлия (GaN) нанопроводников непосредственно на кварцевом стекле, покрытом оксидом индия и олова (ИОС), методом плазменно-ассистированной молекулярно-лучевой эпитаксии (ПА-МЛЭ). Тщательно настраивая температуру роста и эквивалентное пучковое давление (BEP), мы достигаем вертикально ориентированных (0001) нанопроводников с минимальными дефектами, что подтверждается отсутствием желтой люминесценции в спектрах фотолюминесценции (ФЛ). Проводящая атомно-силовая микроскопия (C-AFM) подтверждает, что отдельные n-легированные нанопроводники демонстрирую хорошую проводимость, подчеркивая потенциал этой платформы для прозрачных оптоэлектронных устройств нового поколения. Протокол роста при низкой температуре сохраняет целостность базового ИОС-слоя, обеспечивая высококачественный GaN материал.

Введение

Коммерческие III-нитридные устройства преимущественно полагаются на сапфировые подложки, накладывающие ограничения на масштабируемость и стоимость. Кварц предлагает более дешевую, широко используемую альтернативу, однако его изоляционная природа требует прозрачного проводящего наложения. Оксид индия и олова (ИОС) удовлетворяет обоим критериям, но конвенциональные высокотемпературные методы осаждения рискуют деградировать ИОС-пленку. Предыдущие низкотемпературные подходы, такие как спуттеринг или плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD), часто давали поликристаллический GaN с избытком дефектов. Мы закрываем этот пробел, используя ПА-МЛЭ, который поставляет реактивный азот через РЧ-разряд N₂, позволяя рост при температурах, сохраняющих ИОС. Высокое отношение поверхности к объему нанопроводников смягчает деформацию от несовпадения решеток, ведучи к одиночно-кристаллическим, бездефектным структурам даже на поликристаллическом ИОС.

Методы

Осаждение тонкой пленки ИОС

Пленка ИОС (≈100 нм) осаждалась при комнатной температуре РЧ-магнетронным спуттерингом: аргоновая плазма при 60 Вт, 2,5 мТорр, расход газа 25 ссм. Перед осаждением кварцевые подложки чистили в ацетоне и изопропиловом спирте. Полученный ИОС-слой демонстрировал поверхностное сопротивление ниже 10 Ом/кв после отжига.

Рост III-нитридных нанопроводников

Рост проводили в системе Veeco Gen 930 ПА-МЛЭ. ИОС-покрытый кварц сначала отжигали в установке быстрого термического отжига при 650 °C в аргоне 5 мин для улучшения кристалличности. Последующие этапы предочистки включали выпаривание при 200 °C и 650 °C в предвакуумной камере. Параметры роста: BEP Ga = 1×10⁻⁷ Торр, заслаивающий слой при 500 °C, затем рост нанопроводников при 700 °C. Низкая температура подложки предотвращает деградацию ИОС, способствуя вертикальному выравниванию нанопроводников.

Структурная, оптическая и электрическая характеристика

Топография поверхности и поверхностное сопротивление ИОС измеряли на Agilent 5500 SPM. Для C-AFM контакт 5/5 нм Ni/Au напыляли на нанопроводники, затем отжигали при 600 °C. Зонд Pt/Ir AFM использовали для зондирования тока под смещением, приложенным к ИОС. Проницающая электронная микроскопия (ТЭМ) и высокоугловая темнопольная STEM (HAADF-STEM) выполняли на поперечных образцах, подготовленных FEI Helios Nanolab FIB. Элементные карты получали электронной энергопотерьной спектроскопией (EELS). Полярность оценивали 40 % KOH травлением при комнатной температуре 1 час. Температурно-зависимая ФЛ записывали от 10 К до 290 К лазером 266 нм в гелиевой криостате. УФ-Vis-NIR пропускание измеряли на Shimadzu UV-3600, рентгеновская дифракция (РДА) — на Bruker D2 Phaser.

Результаты и обсуждение

Термическая стабильность ИОС подтвердилась: отжиг до 700 °C давал поверхностное сопротивление <10 Ом/кв, но вводил шероховатость поверхности (рис. 1a–d). Нанопроводники нуклеировались непосредственно на шероховатом ИОС, сохраняя вертикальную ориентацию (0001) с плотностью 9,3×10⁹ см⁻² и коэффициентом заполнения 73 % (рис. 2b). KOH травление выявило предпочтительное удаление N-полярной грани, подтверждая N-полярность (рис. 2d). HAADF-STEM и EELS линейные сканы (рис. 3a–b) показывают резкий интерфейс, с ~4 нм переходным слоем, вероятно, представляющим тонкий смешанно-фазный GaN-промежуточный слой (рис. 3d). Высокое разрешение ТЭМ подтверждает одиночную кристалличность по оси c (рис. 3c).

ФЛ измерения (рис. 4a) показывают доминирующую полосу границы зоны с пренебрежимой желтой люминесценцией, указывая на низкую дефектность. Температурно-зависимая ФЛ (рис. 4b) следует поведению Варшни; Аррениусов анализ дает энергию активации 195 мэВ, а расчетная внутренняя квантовая эффективность (IQE) при 10 К составляет ~67 % (рис. 4c). Спектры пропускания (рис. 4d) демонстрируют, что GaN нанопроводники рассеивают видимый свет, снижая общее пропускание по сравнению с голым ИОС, однако подложка остается высокопрозрачной. РДА образы (рис. 4e) показывают пики от кристаллического ИОС и GaN(0002) рефлексию, подтверждая вертикальный рост на поликристаллическом ИОС.

C-AFM n-легированных нанопроводников (рис. 5a–c) показывает начальное высокое пороговое напряжение из-за Шоттки барьера на интерфейсе GaN/ИОС. Последующий скан снижает этот барьер, давая измеримый ток через нанопроводники (рис. 5d). Это поведение, наблюдаемое в нескольких нанопроводниках, предполагает возможность электрически надежных устройств после начального этапа смещения.

Заключение

Мы успешно выростили одиночно-кристаллические GaN нанопроводники на ИОС-покрытом кварцевом стекле методом ПА-МЛЭ при низкой температуре. Нанопроводники демонстрируют вертикальное выравнивание, высокое кристаллическое качество, N-полярность и сильную полосовую ФЛ без желтой люминесценции. Проводящие n-легированные нанопроводники показывают жизнеспособную электрическую производительность, позиционируя эту платформу как перспективного кандидата для прозрачных высокопроизводительных оптоэлектронных устройств.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

BEP:

Эквивалентное пучковое давление

C-AFM:

Проводящая атомно-силовая микроскопия

EELS:

Электронная энергопотерьная спектроскопия

FIB:

Фокусированный ионный пучок

IQE:

Внутренняя квантовая эффективность

HAADF:

Высокоугловая темнопольная

HRTEM:

Высокое разрешение проницающей электронной микроскопии

ITO:

Оксид индия и олова

MOCVD:

Металло-органическое химическое осаждение из паровой фазы

PA-MBE:

Плазменно-ассистированная молекулярно-лучевая эпитаксия

PECVD:

Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

PL:

Фотолюминесценция

RF:

Радиочастота

RTA:

Быстрый термический отжиг

sccm:

Стандартные кубические сантиметры в минуту

SEM:

Расканирующая электронная микроскопия

STEM:

Расканирующая проницающая электронная микроскопия

TEM:

Проницающая электронная микроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция