Рамановская спектроскопия самоактивированных InP/InAs/InP нанопиллеров и наноконусов на InP(111)B: инсайты от простого подхода с наклоном подложки

Аннотация

Мы исследовали оптические фононные моды самоактивированных InP/InAs/InP наноконусов и нанопиллеров с сердечкой-оболочкой, выросших на подложках InP(111)B методом металлоорганической химической осаждения из паров (MOCVD) с использованием жидких индиевых капель как катализаторов. Рамановский анализ выявил первые порядка моды InAs (E1 TO, A1 TO, E1 LO) и InP (E1 TO, A1 LO, E1 LO). Также обнаружены вторые порядка признаки, соответствующие InP E1 (2TO), E1 (LO + TO) и E1 (2LO). Спектры нанопиллеров показали красные сдвиги и расширение LO полос на низкочастотных ветвях для InAs и InP. В наноконусах наблюдалось сильное расщепление между InAs E1 TO и A1 LO, отражающее полярный характер III-V нанопроводов. Интенсивности LO пиков InP и InAs линейно масштабировались с мощностью возбуждения. Наклон подложки относительно падающего лазера позволил подавить низкочастотные LO фононы InP и InAs в наноконусах. В то время как отношение интенсивностей InP E1 TO/E1 LO оставалось постоянным при 0° наклоне, оно выраженно увеличивалось при 30°, особенно для наноконусов. Эти находки демонстрируют, что простой протокол Рамановской спектроскопии с наклоном подложки позволяет неразрушающе зондировать форму, кристаллическую структуру и состав в вейфер-масштабных InP/InAs/InP гетероструктурах, облегчая их интеграцию в наноэлектронные и фотонные устройства.

Введение

Полупроводниковые гетероструктурные нанопровода привлекли значительный интерес за последнее десятилетие [1]. Сердечник-оболочечные, сверхрешётчатые и легированные нанопровода по широкому материальному спектру были изготовлены [2-10]. InP-InAs нанопровода особенно перспективны для светодиодов [14], однофотонных источников [15], фотодетекторов [16] и гетеротранзисторов [17] благодаря настраиваемой запрещённой зоне, высокой подвижности носителей и большому полю пробоя [18-19]. Производительность устройств зависит от оптических и электронных свойств наномасштабных составляющих, которые в свою очередь определяются кристалличностью, морфологией и составом [20-21]. Рамановская спектроскопия, неразрушающий зонд, даёт инсайты в фононное конфинмент и поверхностные оптические моды, возникающие из этих структурных особенностей [22-26]. Поляризационно-зависимое Рамановское рассеяние раскрыло угловые зависимости активных мод в высокоанизотропных нанопроводах Si [27], GaAs [28], InAs [29,30], GaP [31,32], ZnO [33], GaN [34]. Недавние достижения довели чувствительность Рамана до одномолекулярного уровня через ближнеполевые поверхностные резонансы на инженерных подложках или металл-декорированных наноструктурах [35-38]. Однако Рамановская характеристика самоактивированных, вейфер-масштабных одномерных гетероструктур остаётся недостаточно изученной. Вариации позиций, ширин и интенсивностей Рамановских пиков кодируют информацию о составе, химическом окружении и кристалличности, предлагая мощный неразрушающий диагностический инструмент для as-grown образцов [40]. В данной работе мы представляем Рамановские исследования самоактивированных InP/InAs/InP сердечник-оболочечных нанопиллеров и наноконусов, подчёркивая влияние морфологии, кристаллической структуры и геометрии рассеяния на вибрационные сигнатуры.

Методы

Одномерные наноструктуры (нанопиллеры и наноконусы) фабриковали через самоактивированный пар-жидкость-твердое тело процесс на InP(111)B используя Veeco D125 MOVPE реактор с прекурсорами триметилиндий (TMIn), трет-бутилфоскин (TBP) и трет-бутиларсин (TBA) [13,23,41]. Нанопиллеры росли при ~350 °C, наноконусы — при ~400 °C. Индиевые капли засевали in-situ подачей 5,06×10⁻⁵ mol/мин TMIn в течение 12 с. Последующий рост InP использовал потоки TMIn и TBP 3,74×10⁻⁶ и 3,37×10⁻⁴ mol/мин (V/III = 90) в течение 540 с. После продувки H₂ (10 с) и TBA (180 с) с нагревом до 420 °C, оболочка InAs осаждали TBA (9,82×10⁻³ mol/мин) и TMIn (8,18×10⁻⁵ mol/мин) (V/III = 120) в течение 10 с. Финальная InP шапка росла с TMIn (3,73×10⁻⁶ mol/мин) и TBP (3,37×10⁻³ mol/мин) (V/III = 90) в течение 60 с. Образцы без этапа InAs служили чистыми InP контролями (см. Рис. 1a и Доп. файл 1: Рис. S1).

Построенная морфология изучали FEI NOVA 230 полевой SEM при 5 кВ. Более 30 наноструктур измеряли для средней высоты и диаметра основания. Рамановские спектры ансамблей InP/InAs/InP нанопиллеров или наноконусов записывали в обратном рассеянии, конфокальной конфигурации на Renishaw InVia спектрометре. Чтобы избежать лазерного повреждения, наклон подложки ограничивали ≤35°. Лазер 514,5 нм с мощностью 5-25 мВ фокусировали до ~1 мкм. Спектры снимали с разрешением 0,5 см⁻¹, калибруя по Si пику подложки 520,1 см⁻¹, и аппроксимировали симметричными Гаусс-Лоранц функциями для извлечения параметров пиков.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1 иллюстрирует типичные морфологии InP нанопиллеров, InP/InAs/InP нанопиллеров и InP/InAs/InP наноконусов на InP(111)B. Все структуры вертикально выровнены по направлению <111>B, с лёгким сужением. Пиллеры ~150 нм ширины и ≤250 нм высоты, конусы ~50 нм ширины и до 2 мкм высоты, отражая взаимодействие пар-жидкость-твердое тело и паровой фазовой эпитаксии при 400 °C [13,41]. Детальные кристаллографические анализы опубликованы отдельно [42].

Рисунок 2 показывает Рамановские спектры InP и InP/InAs/InP конусов и пиллеров, с падающим лучом вдоль оси наноструктуры. Референсные спектры InP(111)B и InAs(111)B подложек также приведены. Объёмный InP (цинкбленда) демонстрирует единичный F₂ мод, расщепляющийся на TO и LO фононы. Вюрцитовые кристаллы допускают A₁, E₁, E₂H, E₂L моды, с A₁ и E₁ расщеплением на LO и TO компоненты [43-44].

Все спектры от InP(111)B подложки и InP/InAs/InP наноконусов показывают два пика при 303,7 см⁻¹ (TO) и 344,5 см⁻¹ (LO). InP нанопиллеры демонстрируют TO и LO пики при 303,8 и 343,0 см⁻¹, согласуясь с вюрцитовыми E₁ TO и E₁ LO. InP/InAs/InP нанопиллеры показывают выраженное расширение LO полосы, отсутствующее в объёмном InP. Пики 303,8 и 341,7 см⁻¹ соответствуют InP E₁ TO и A₁ LO. LO моды особенно чувствительны к Фрёлиховским взаимодействиям [45]. Пики 218 и 241 см⁻¹ представляют InAs E₁ TO и E₁ LO. Низкие интенсивности в наноструктурах относительно InAs(111)B указывают на сердечник-оболочечное или легированное образование [13,42]. Красные сдвиги и расширения InAs E₁ LO и A₁ LO в нанопиллерах отражают фононное конфинмент в субнанометровых особенностях [48-50]. Вторые порядки моды (2TO, TO+LO, 2LO) появляются между 600-700 см⁻¹, возникая из критических точек сингулярностей в двухфононной плотности состояний [51]. Пики 616 и 649 см⁻¹ соответствуют 2TO(Γ) и TO(Γ)+LO(Γ); 2LO пик слегка блусшифтован, в соответствии с вкладом из L-точки [52]. В наноконусах 649 и 684 см⁻¹ соответствуют TO(Γ)+LO(Γ) и 2LO(Γ), тогда как 619 см⁻¹ 2TO(Γ) пик слегка смещён, вероятно из-за высокого аспекта [53]. Все обнаруженные пики суммированы в Таблице 1.

Рисунок 4 показывает, как Рамановские интенсивности InP TO и LO пиков варьируют с мощностью возбуждения для разных наклонов подложки, и соответствующие I(LO)/I(TO) отношения. Для нанопиллеров увеличение мощности с 5 до 25 мВ вызывает 2-3 см⁻¹ красный сдвиг и расширение InAs E₁ TO и A₁ LO, тогда как наноконусы показывают пренебрежимый сдвиг (Доп. файл 1: Рис. S2c-d). Лазерный нагрев следовательно минимален. Нанопиллеры, с большим эффективным сечением рассеяния, демонстрируют более сильный Рамановский резонанс чем наноконусы. Интегральные интенсивности линейно растут с мощностью, подтверждая отсутствие нагрева. Наклон подложки усиливает TO отражение относительно LO для обеих морфологий, как видно на Рис. 3 и Доп. файл 1: Рис. S2. При 0° наклоне отношение InP E₁ TO/E₁ LO схоже для нанопиллеров и наноконусов; при 30° оно возрастает до ~2,3 для наноконусов против ~1,3 для пиллеров, отражая изменения в фотон-решётчатом сечении и поверхностном электрическом поле [49,56]. Эти результаты иллюстрируют, что комбинация Рамановской спектроскопии с простым наклоном подложки даёт мощный неразрушающий инструмент для идентификации ростовой морфологии, кристаллической структуры и состава в III-V гетероструктурах с нанометровым разрешением.

Заключение

Мы продемонстрировали Рамановскую спектроскопию самоактивированных InP/InAs/InP сердечник-оболочечных нанопиллеров и наноконусов, выросших на InP(111)B. Варируя мощность лазера и наклон подложки в геометрии обратного рассеяния, мы идентифицировали InAs E₁ TO, A₁ TO, E₁ LO и InP E₁ TO, A₁ LO, E₁ LO моды. В отличие от объёмных референсов, ансамбли наноструктур демонстрируют вторые гармоники Рамановских признаков (E₁ 2TO, E₁ LO+TO, E₁ 2LO). Наблюдались красные сдвиги и расширения LO мод в нанопиллерах и выраженное E₁ TO/A₁ LO расщепление в наноконусах. Рамановские интенсивности линейно масштабируются с мощностью возбуждения, и отношение I(TO)/I(LO) остаётся стабильным за исключением наклона подложки; при 30° отношение возрастает до ~2,3 для наноконусов. Эти находки устанавливают простой неразрушающий Рамановский протокол — усиленный наклоном подложки — для зондирования формы, кристаллической структуры и состава в вейфер-масштабных III-V гетероструктурах, облегчая их интеграцию в наноэлектронику и фотонику следующего поколения.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе исследования, включены в данную опубликованную статью и её дополнительные информационные файлы.

Аббревиатуры

As:

Арсин

EDS:

Энергодисперсионная спектроскопия

In:

Индий

LO:

Продольный оптический фонон

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паров

P:

Фоскин

SEM:

Растровый электронный микроскоп

TBA:

Трет-бутиларсин

TBP:

Трет-бутилфоскин

TMIn:

Триметилиндий

TO:

Поперечный оптический фонон

WZ:

Вюрцитовая кристаллическая структура

ZB:

Цинкблендовая кристаллическая структура