Инженерия боковых граней вертикальных нанопроводников InP [100] для инновационных радиальных гетероструктур

Аннотация

Вертикальные нанопроводники InP ориентации [100] предлагают уникальный набор боковых граней и поперечных геометрий, недоступных при обычном росте [111]. Систематически меняя параметры роста и применяя in-situ отжиг после роста, мы спроектировали спектр комбинаций граней — включая квадратные, прямоугольные, удлиненные шестиугольные, удлиненные восьмиугольные и правильные восьмиугольники — сохраняя высокую вертикальную выходную продукцию. Две примерные радиальные гетероструктуры, выросшие на этих инженерированных гранях, демонстрируют потенциал платформы для оптоэлектронных устройств нового поколения.

Введение

Большая поверхность нанопроводников усиливает влияние их боковых граней на морфологию, структуру, электрические, тепловые и оптические свойства. В обычных нанопроводниках InP [111] однородные грани {0-11} дают предсказуемые радиальные гетероструктуры, тогда как неоднородные грани позволяют создавать сложные архитектуры: нанокавитации, квантовые колодцы с новыми геометриями и сверхрешетки нанотрубок с твеннингом. Поверхностные скорости рекомбинации и наномасштабная шероховатость, специфичные для граней, модулируют носительскую динамику и фононный транспорт. Поперечная форма, определяемая комбинациями граней, также определяет оптическое замыкание в нанопроводниковых кавитатах. Важно, что инженерия граней предлагает путь к росту квантовых проводов и колодцев без структурированных подложек, упрощая fabricación устройств.

Большинство III-V нанопроводников растут на подложках (111), давая вирцуит или цинкблендовые твенны с гранями {1-100}, {11-20} или {111} и шестиугольными или усеченными треугольными поперечными сечениями. Изменение ориентации роста открывает новые семейства граней и поперечные сечения — такие как квадратные и восьмиугольные формы — которые трудно достичь на других ориентациях. Эти менее изученные грани могут открыть новые применения в оптоэлектронике, сенсорике и катализе.

В этом исследовании мы систематически спроектировали боковые грани вертикальных нанопроводников InP [100], реализуя ряд поперечных форм от квадратов до восьмиугольников при сохранении высокой вертикальной выходной продукции. Сначала изучено влияние температуры роста, соотношения V/III и потока триметилиндия (TMIn) на эволюцию граней. Затем in-situ отжиг использован для получения комбинаций граней, недоступных только ростом. Наконец, продемонстрированы две концепции радиальных гетероструктур, использующих инженерированные грани для оптически активных устройств.

Методы

Нанопроводники синтезированы в горизонтальном реакторе MOVPE при общем расходе 15 слм, с использованием TMIn и PH₃ как прекурсоров. Применены два протокола предроста, ранее показывавшие высокую вертикальную выходную продукцию [100]. Частицы Au наносились через слой поли-L-лизина: 30 нм для условия 1 (подложка отжигалась при 450 °C под PH₃ 8,93×10⁻⁴ моль мин⁻¹ в течение 10 мин) и 50 нм для условия 2 (TMIn предытекал 15 с при 450 °C). Параметры роста детализированы в таблицах 1 и 2; более высокие потоки TMIn требовали пропорционально более коротких времен роста для сравнимых размеров.

Морфологическая характеристика выполнена на Zeiss Ultra Plus и FEI Helios 600 NanoLab SEM; TEM-анализ на JEOL 2100 при 200 кВ с микротомными поперечными сечениями. Фотолюминесценция (PL) измерялась на отдельных нанопроводниках на сапфире, возбуждение He-Ne лазером 633 нм (≈1 мкм пятно, 20 мкВт) и детектирование азотно-охлажденным InGaAs детектором.

Результаты и обсуждение

В ФЦК решетке низкоиндексные грани, параллельные оси роста [100], — это {011} и {001}. Рис. 1 иллюстрирует их относительную ориентацию на подложках [100] и [111], таблица 3 перечисляет возможные поперечные формы от их комбинаций. В отличие от граней {0-11} у [111] проводников, грани {011} в росте [100] частично полярны: при богатых на группу-V условиях A-полярные грани растут быстрее B-полярных. Эта анизотропия приводит к асимметричным геометриям (типы III-VII), обсуждаемым ниже.

Температура роста, соотношение V/III и поток TMIn — доминирующие факторы формирования граней. Рис. 2a-c показывают системную эволюцию граней при изменении каждого параметра. Повышение температуры от 420 °C до 450 °C трансформирует набор граней от четырех {011} к четырем {001} через промежуточную восьмиугольную форму. При 475 °C некоторые нанопроводники изгибаются к <111> при охлаждении, вероятно, из-за истощения индия в Au-капельке; оставшийся вертикальный сегмент показывает слегка удлиненную форму, указывая на ограниченный радиальный рост и возможное поверхностное разложение.

Изменение соотношения V/III (200-700) незначительно меняет доминирующие грани {001}, вероятно, потому что диапазон остается высоким для MOVPE и грани {001} перерастают полярностные различия. В противовес, увеличение потока TMIn (до ~20×) систематически смещает предпочтение граней от {001} к {011}. При максимальном потоке нанопроводники демонстрируют неправильные микрограни, указывая на уменьшенную длину диффузии адчастиц, препятствующую встроению в низкоэнергетические сайты.

Условие предроста 2 (TMIn предытек) сохраняло вертикальную выходную продукцию 65-80 % и способствовало граням {011} даже при высоком потоке TMIn, позволяя растить прямоугольные поперечные сечения с большими гранями {001} (Рис. 3). Дальнейшее увеличение потока TMIn сохраняло вертикальную выходную продукцию (~72 %), но давало неправильную фасетировку, похожую на случай максимального потока на Рис. 2c.

Послеростовой отжиг при 550 °C в течение 20 с – 10 мин под переизбытком PH₃ позволял поверхностным атомам мигрировать к конфигурациям с более низкой энергией. Для прямоугольных проводников 20 с отжига уже давали удлиненный восьмиугольник, уменьшая отношение периметра к площади. Для неправильно фасетированных проводников 210 с отжига индуцировали переход к низкоиндексным граням {001} и {011}, а 600 с завершили эволюцию до симметричного восьмиугольника (Рис. 4). Этот отжиговый путь минимизирует общую поверхностную энергию, сохраняя высоту нанопроводника.

Используя инженерированную геометрию граней, мы изготовили две новые радиальные гетероструктуры. На Рис. 5a высокопотоковый In₀.₅₅Ga₀.₄₅As слой предпочтительно осаждается на более крупных гранях {001}, формируя дискретные тромбоциты, изолированные друг от друга — расположение, отличное от трубчатых квантовых колодцев в [111] или WZ нанопроводниках. На Рис. 5b тот же высокопотоковый InGaAs слой на удлиненном восьмиугольном ядре дает квантовые провода вдоль четырех граней {001}. Последующий умеренный поток InP барьера инкапсулирует структуру. Полученная PL отдельного нанопроводника (Рис. 5c) показывает яркую эмиссию при ~1,31 мкм от квантовых проводов, с пренебрежимой эмиссией ядра, подтверждая эффективное замыкание носителей.

Заключение

Демонстрирован полный контроль над боковыми гранями вертикальных нанопроводников InP [100], позволяя набор поперечных форм от квадратов до восьмиугольников при высокой вертикальной выходной продукции. Медленные скорости роста благоприятствуют граням {001}, тогда как высокие потоки TMIn способствуют формированию граней {011}. In-situ отжиг дополнительно уточняет комбинации граней, давая симметричные восьмиугольники, минимизирующие поверхностную энергию. Используя эти инженерированные грани, мы изготовили две оптически активные радиальные гетероструктуры — разделенные InGaAs тромбоциты и квантовые провода — демонстрирующие потенциал [100] нанопроводников для сложных архитектур устройств. Эти результаты открывают новые пути для интеграции [100] InP нанопроводников в оптоэлектронику, фотонику и сенсорику.