Легирование теллурием улучшает морфологию, кристаллическую структуру и проводимость катализатор-свободных нанопроводников InAs на кремнии

Аннотация

Сообщается о росте Te-легированных катализатор-свободных нанопроводников InAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Si(111). Морфология — более короткая длина и больший диаметр — прогрессивно меняется с увеличением концентрации Te. Передаточная электронная микроскопия и рентгеновская дифракция показывают увеличение отношения сегментов цинкбленда/(юрцаит + цинкбленд) при введении Te во время роста. Двухточечные электрические измерения подтверждают, что более высокие уровни Te дают выраженный рост проводимости. Исследованы две сравнимые серии роста, отличающиеся только парциальным давлением арсена (~1×10⁻⁵ Торр) при прочих равных параметрах, для различных уровней Te-легирования. Сравнение указывает, что кристаллическая структура сильно влияет и прирост проводимости более выражен для нанопроводников, выращенных при сравнительно более высоком парциальном давлении арсена.

Введение

Нанопроводники (NW) всё чаще рассматриваются как универсальные строительные блоки для новых технологий: полевых транзисторов, фотодетекторов, солнечных элементов. Их исключительные свойства — высокое соотношение сторон, ультра-низкое рассеивание мощности, и для InAs отсутствие шотткиевского барьера на металлических контактах — делают их привлекательными для электронных и квантово-информационных приложений. InAs NW обладают высокой подвижностью электронов, низкой эффективной массой, большим g-фактором и сильным спин-орбитальным взаимодействием Рашбы.

Конвенциональные InAs NW растут методом пар-жидкость-твердое тело (VLS) с золотыми капелями-катализаторами. Золото вносит непреднамеренные примеси и мешает интеграции на кремнии. Для преодоления используют катализатор-свободный метод пар-твердое тело (VS). В этом режиме могут сосуществовать кубический цинкбленд (ZB) и гексагональный урцаит (WZ) фазы, с политипизмом и дефектами (вращательные двойники, стеклянные ошибки), ухудшающими транспортные и оптические свойства.

Легирование — путь к улучшению зарядопереноса, но традиционные стратегии легирования III-V не переносятся напрямую на NW из-за анизотропных граней роста и фазо-зависимых поверхностных реконструкций. Кремний — обычный n-тип допант, но показывает амфотерное поведение, проблематичное в NW. Теллур, элемент VI группы, эффективный n-тип допант с низкой энергией ионизации, минимальной диффузией и без амфотерной активности. Te проявил себя как надежный допант в Au-катализируемых и само-катализируемых NW, влияя на морфологию и кристаллическую структуру.

В этом исследовании систематически исследуется Te-легирование в катализатор-свободных InAs NW, фокусируясь на морфологических изменениях, фазовой эволюции и электрической производительности. SEM, HR-TEM, XRD и двухточечные измерения раскрывают последовательную тенденцию: включение Te увеличивает отношение ZB-сегментов и улучшает проводимость.

Методы/Эксперимент

InAs NW росли в VS режиме без инородного катализатора на n-Si(111).

Подготовка подложки

Подложки чистили HF и ДИ-водой, затем обрабатывали перекисью водорода 45 с для образования нескольких ангстремов SiO₂ с питками, служащими центрами нуклеации. После оксидации образцы переносили в предвакуум, нагревали до 200 °C на 45 мин, затем дегазировали при 400 °C еще 45 мин.

Рост InAs нанопроводников

Рост при 475 °C в течение 1 ч 20 мин в камере Omicron Pro 100 MBE. Скорость роста 0.1 мкм/ч. Арсен поставлялся через крэкер As₄ с эквивалентными пучковыми давлениями (BEP) 2.3×10⁻⁵ Торр (серия B) и 3.3×10⁻⁵ Торр (серия A). Теллур вводили через источник GaTe; температура эффузной ячейки варьировалась от 401 °C до 562 °C, соответствующая концентрации носителей от 1×10¹⁵ см⁻³ до 6×10¹⁹ см⁻³ в калибровочных слоях GaAs.

Фабрикация устройств

Для двухточечных контактов NW механически переносили на предструктурированную Si подложку с 200 нм SiO₂. После спин-нанесения трехслойного PMMA-резиста, электронно-лучевая литография определяла геометрию контактов. Область контакта пассивировали разбавленным 3.5% аммониевым полисульфидом при 60 °C 30 мин. Электроды 100 нм Ti и 40 нм Au осаждали электронно-лучевым испарением.

Полный список образцов, изученных SEM, TEM, XRD и электрическими измерениями, в Таблице 1. Буквы A, B, C обозначают серии при разных парциальных давлениях As; температура GaTe 0 °C означает закрытый затвор.

Результаты и обсуждение

Морфология

SEM показывает, что Te-легирование уменьшает длину и увеличивает диаметр проводников. Рис. 1a — серия A (As-BEP ≈ 3.3×10⁻⁵ Торр), Рис. 1b — серия B (As-BEP ≈ 2.3×10⁻⁵ Торр). До температуры GaTe-ячейки 500 °C явной тенденции нет, но при 561 °C подача Te резко увеличивает диаметр и укорачивает проводники. Серия B демонстрирует более выраженное уменьшение длины при 401 °C, что указывает на то, что более низкое давление As усиливает влияние Te на морфологию.

Большой ковалентный радиус Te, вероятно, действует как поверхностно-активное вещество, снижая диффузию ад-атомов индия и способствуя радиальному росту вместо аксиального. Увеличение давления As, видимо, смягчает этот эффект, предлагая способ контроля морфологических изменений.

Кристаллическая структура

HR-TEM и XRD использовали для количественной оценки отношения ZB/(WZ+ZB). Стакинг-последовательность из четырех двуслоев определяет ZB-сегмент (…ABCA…) или WZ-сегмент (…ABAB…). Сегменты без полной четырехдвуслойной последовательности классифицировали как стеклянные ошибки или двойники.

Рис. 3 показывает, что отношение ZB/(WZ+ZB) растет с повышением температуры GaTe-ячейки в обеих сериях. При 447 °C рост обусловлен большим числом ZB-сегментов, при 500 °C — уменьшением WZ-сегментов и незначительным ростом стеклянных ошибок. В целом, включение Te способствует формированию ZB, тренд более очевиден при более высоком парциальном давлении арсена (серия A).

XRD φ-сканы подтверждают это. Рефлексы ZB (220) и WZ (10 1 1) изолировали, отношение интенсивностей I_ZB/(I_ZB+I_WZ) на Рис. 5b растет с Te-легированием, особенно для серии A. Слабее реакция в серии B подчеркивает роль As в faciliterовании включения Te.

Электрические измерения

Двухточечные I-V кривые показывают омическое поведение, согласующееся с накопительными слоями на поверхности InAs. Проводимость σ = A R L⁻¹ вычисляли по формуле для гексагонального сечения A = 3√3 d_NW²/8, где d_NW и L_w измеряли по SEM.

Рис. 6e иллюстрирует, что проводимость увеличивается примерно на порядок при наивысшем Te-легировании (GaTe-ячейка 500 °C), достигая ≈80 S·см⁻¹ против ≈8 S·см⁻¹ для нелегированных проводников. Более сильный прирост проводимости в серии A коррелирует с её более высоким отношением ZB/(WZ+ZB). Хотя улучшение кристаллической фазы само по себе может повысить проводимость на ~50%, десятикратный рост здесь также отражает повышенную концентрацию носителей от Te-доноров.

Вариабельность проводимости обусловлена неоднородной пассивацией контактов, поверхностным окислением и возможной аксиальной неоднородностью включения Te. Дальнейшие исследования, например in-situ Al₂O₃ пассивация, нужны для снижения разброса.

Заключение

Успешно выращены Te-легированные катализатор-свободные InAs нанопроводники на Si(111) методом VS, демонстрируя, что Te модулирует морфологию, кристаллическую фазу и электрическую производительность. Te увеличивает отношение ZB/(WZ+ZB) и повышает проводимость на порядок, особенно при более высоких парциальных давлениях арсена. Результаты расширяют стратегии легирования для III-V NW, предоставляя путь к смягчению дефектно-индуцированной деградации транспорта.