나노월 네트워크, 나노컬럼 및 MBE에 ​​의해 Si(111)에서 성장한 콤팩트 필름 간의 GaN 구조 이동

결과 및 토론

N₂의 셔터가 있을 때 플라즈마와 Ga가 동시에 열림, GaN(S₁ )은 그림 1a와 같이 베어 Si(111)에 나노기둥 형태로 성장했다. Ga 플럭스는 1.2 × 10 ^{− 7} 이었습니다. Torr 및 Si(111) 기판은 표 1과 같이 973K로 유지되었습니다. GaN 나노컬럼의 직경은 52~125nm이고 길이는 ~ 460nm인 것으로 관찰되었습니다. SEM 이미지에서 계산된 나노 컬럼의 밀도는 ~ 10 ⁷ 입니다. mm ^{− 2} . 분명히, 그림 1b에서 관찰된 대부분의 나노 컬럼은 기판에 수직이 아니라 ~ 30°의 각도로 기울어져 있습니다. Bertness의 보고서 [9]와 일치하여 나노 컬럼의 상단 표면은 매끄럽습니다. (0 0 01) c의 점착 계수 때문에 나노기둥이 자발적으로 핵을 생성한 다음 전파되는 것으로 믿어집니다. -평면이 {110 0} m보다 높습니다. -비행기. 확산 길이 L 흡수된 Ga 원자의 (Ga_ab ) 나노 컬럼의 성장에 필수적입니다. 식에 설명된 대로 (1), 확산 길이 L 평균 점프 거리 a에 따라 다릅니다. , Ga_ab 탈착 에너지 Q _데스 , 그리고 표면 확산 점프를 위한 활성화 에너지 Q _d [13].

다양한 조건에서 성장한 샘플의 FESEM 이미지. 아 , b GaN 나노 컬럼에 해당(샘플 S₁ ). ㄷ , d GaN 나노벽 네트워크에 해당(샘플 S₂ ), e 컴팩트 필름에 해당(샘플 S₃ ), f GaN 나노벽 네트워크에 해당(샘플 S₄ ) 초기 성장 단계에서. 지 , h 낮은 온도 900K에서 성장한 GaN 나노벽 네트워크에 해당(샘플 S₅ )

원자적으로 평평한 나노기둥 측벽은 흡착 부위를 거의 제공하지 않기 때문에 Ga_ab 확산 길이 L m에 - 측벽의 평면이 c의 평면보다 훨씬 높습니다. - 평면, 결과적으로 GaN을 나노 컬럼으로 수직 성장. 이 가정이 사실이라면 Ga/N 비율이 개선될 때 강한 성장률 이방성이 변경될 것입니다. 실제로 GaN(S₃ ) Ga 플럭스가 5.3 × 10 ^{− 7} 으로 증가했을 때 나노기둥에서 조밀한 필름으로 구조가 변경됨(그림 1e) 토르. 따라서 Ш/V 비율을 조정하여 나노기둥 또는 조밀한 필름 형태의 GaN 성장을 제어할 수 있습니다.

GaN 나노컬럼은 필름보다 우수한 성능을 나타내지만, 분리된 나노컬럼은 전기적 접촉을 제조하기 전에 정렬이 필요하기 때문에 전기소자의 제조가 매우 어렵다. 따라서 면내 전기 전도성 나노구조가 선호됩니다. 샘플 S₂의 성장을 위해 , 금속 Al 사전 증착은 MBE 성장 챔버에서 40초 동안 수행되었습니다. 그런 다음 N₂ 플라즈마와 Ga 소스가 동시에 열렸습니다. S₂의 Ga 플럭스 성장은 S₁의 성장과 동일하게 표 1에 요약되어 있습니다. . 그림 1c는 샘플 S_2.의 평면도 FESEM 이미지를 보여줍니다. GaN이 Al/Si(111)에서 나노벽 네트워크의 형태로 성장한다는 것은 매우 흥미롭습니다. 직경이 50~100nm인 나노벽이 서로 중첩 및 인터레이스되어 면내 연속 네트워크, 즉 나노벽 네트워크를 형성합니다. 클래스 A와 클래스 B라는 두 가지 클래스의 구멍이 관찰 가능합니다. 클래스 A와 클래스 B 구멍의 ​​직경은 일반적으로 각각 50~100 및 10~ 49 nm입니다. 평면 내 연속 특성은 나노벽 네트워크를 패널 내 전기 전도성으로 만들어[18], 나노 장치 제조의 장애물을 어느 정도 제거합니다. 나노벽의 상단 표면은 Ref. [13]. 평면도 이미지에 표시된 구멍이 그림 1d의 직사각형으로 표시된 것처럼 기판 근처까지 확장되는 것을 볼 수 있습니다.

위에서 언급한 구멍이 어떻게 생성되는지 궁금할 수 있습니다. 샘플 S₅를 키웠습니다. 900K의 낮은 성장 온도에서. 다른 성장 매개변수는 샘플 S₂와 동일합니다. , 표 1에 표시된 대로. 그림 1g에서 샘플 S₅ 또한 더 작은 구멍을 가진 나노벽 네트워크의 형태로 성장했습니다. 그림 1h는 S₅의 단면 이미지입니다. , S_2.보다 더 컴팩트한 레이어를 보여줍니다. GaN 나노벽 네트워크의 초기 성장을 보기 위해 다른 샘플 S₄를 성장시켰습니다. Al 사전 증착으로 짧은 시간에. S₄의 모든 성장 매개변수 샘플 S₂와 동일합니다. 성장 시간을 제외하고(20분 대 120분) 두께 S₄ 약 50nm이고 평면도 이미지가 그림 1f에 나와 있습니다. 이 단계에서 정공이 형성되었으며 as-gown GaN은 GaN 나노와이어 또는 섬이 아니라 면내 연속 네트워크인 것으로 관찰됩니다. 샘플 S₁ 연구에서 , S₂ , S₄ 및 S₅ , Al 층의 사전 증착이 나노 컬럼에서 면내 연속 나노벽 네트워크에 이르기까지 초기에 GaN의 성장 거동을 변화시키는 것이 분명합니다.

S₂의 모든 성장 조건에 유의하십시오. Al 사전 증착이 S₁의 것과 동일하다는 점을 제외하고 . 그러면 우리는 사전 증착된 Al의 구조가 무엇이며 이것이 GaN의 후속 성장에 어떤 영향을 미치는지 궁금할 수 있습니다. 이러한 답을 찾기 위해 FESEM 및 AFM에서 베어 Si(111)에 40초 동안 Al 사전 증착을 조사했습니다. 그림 2a는 사전 증착된 Al의 평면도 이미지를 보여줍니다. Si 기판 상의 Al은 막이 아닌 액적(백색 점)의 형태로 존재함을 알 수 있다. 밀도가 ~ 4 × 10 ⁷ 인 금속성 Al 방울 mm ^{− 2} 상당한 축적 없이 상대적으로 균일하게 분포합니다. 최근에 Al 액적은 Li et al.에 의해 MBE를 사용하여 성공적으로 성장되었습니다. As-grown GaN의 품질을 개선하고 스트레스를 줄이기 위해 [24]. Al 액적의 형태를 추가로 연구하기 위해 AFM을 사용하여 그림 2b, c와 같이 3차원 이미지와 관련 매개변수를 측정했습니다. 액적은 SEM 결과와 일치하는 그림 2b와 같이 구형입니다. 측정된 Al 액적의 높이와 직경은 각각 6.7 및 80nm입니다. Poppitz et al. [25]는 철 빔 지원 MBE에 ​​의해 베어 6H-SiC(0001)에서 GaN 나노벽 네트워크의 성장을 조사했습니다. 그들의 결과는 높은 기판 온도와 결합된 극도로 N이 풍부한 성장 조건과 성장 중 에너지 넘치는 N-이온 조사가 베어 6H-SiC(0001)에 나노벽 네트워크가 형성되는 주요 원인임을 보여줍니다. 개척자로서 Kesaria et al. [17]은 PA-MBE를 사용하여 베어 사파이어 기판에서 GaN 나노벽 네트워크를 조사했습니다. 그들의 연구에서 GaN 나노벽은 가장자리와 나사 전위에서 핵을 형성하고 N이 풍부한 분위기에서 성장하는 것으로 간주됩니다.

FESEM(a ) 및 원자현미경(b ) Si 기판에 사전 증착된 Al의 이미지. ㄷ AFM에 의한 하나의 Al 방울의 매개변수 측정

우리의 경우, GaN 나노벽 네트워크의 성장 메커니즘은 금속 Al 사전 증착의 요구 사항에 따라 나노벽이 성장하기 때문에 달라야 합니다. 물론 우리가 아는 한 실험을 포함한 모든 GaN 나노벽 네트워크는 N이 풍부한 분위기에서 성장했습니다. N이 풍부한 것은 나노벽의 유착을 줄이기 위해 필요합니다. 이제, 나노벽 네트워크의 형성에서 Al 액적의 역할에 초점을 맞춰보자. 촉매로 작용하는 Au 방울[26]과 유사하게, Al 방울이 촉매로 작용하면 GaN은 나노벽 네트워크가 아닌 나노 기둥으로 성장해야 합니다. 따라서 Al 액적의 역할은 우리 연구에서 촉매가 아닙니다. Al 금속의 용융 온도는 933K이며 기판 온도는 성장 중에 973K로 유지됩니다. 따라서 GaN 성장이 시작될 때 Al 방울은 액체 방울입니다. 이전 보고서에 따르면, Ga 액적[13]이 있는 Si(111) 상의 GaN의 경우, Ga 액적은 가까운 부근에 Ga 원자를 공급하는 저장소 역할을 합니다. 그러나 Ga 액적 자체는 원래 Ga 액적 사이트가 속이 빈 원이기 때문에 GaN 성장을 방해합니다. 우리의 경우 Al 액적의 직경은 ~ 80nm로 그림 1a의 클래스 A 구멍 크기와 유사합니다. 따라서 Al 액적은 그 위의 GaN 성장을 방해하여 GaN 나노벽 네트워크에서 관찰되는 클래스 A 정공을 형성할 수 있습니다. 샘플 S₁의 Ш/V 비율이 동일하기 때문에 및 S₂ , Ga 확산 길이 L 나노월 네트워크 성장을 위한 Si의 경우 나노컬럼의 성장과 동일할 것으로 예상됩니다. 베어 Si 기판(Al 방울이 없는 영역)의 일반적인 크기는 ~ 80nm이며, 그림 1a의 나노컬럼 직경 값 내입니다. 즉, Ga 확산 길이 L 베어 Si 기판의 크기를 커버하여 Al 액적이 없는 영역, 즉 GaN 나노벽 네트워크에서 GaN의 지속적인 성장을 초래합니다.

위의 분석을 바탕으로 GaN 나노벽 네트워크의 성장 모델이 제안되고 그림 3에 표시됩니다. GaN은 그림 3a에 표시된 대로 베어 Si 기판에서 핵을 형성합니다. Ga_ab 이후 확산 길이 L 베어 Si 기판을 덮고, GaN은 전체 베어 Si 기판에서 성장하는 반면 Al 액적 위의 GaN 성장은 방해를 받습니다(그림 3b). 또한 N이 풍부한 조건에서 GaN은 그림 3c와 같이 수직으로 성장하는 경향이 있습니다. Bare Si 기판은 평면 내 연속 네트워크이기 때문에 위의 GaN 성장은 그림 3d와 같이 나노벽 네트워크라는 연속 네트워크이기도 합니다. 이 가정은 샘플 S₄의 평면도 이미지에 의해 확인됩니다. 그림 1f에서. 샘플 S₂에 대한 N이 풍부한 조건으로 인해 성장, 측면 성장은 구멍이 후속 성장에서 예비할 수 있도록 제한됩니다. Al 액적과 N이 풍부한 조건은 모두 GaN 나노벽 네트워크 성장에 필수적입니다.

GaN 나노벽 네트워크의 성장 모델. 아 Si 기판에 미리 증착된 Al 방울. ㄴ 베어 Si에서 GaN 나노벽 네트워크의 핵 생성. ㄷ N이 풍부한 조건에서 수직으로 성장한 GaN 나노벽 네트워크의 단면도. d GaN 나노월 네트워크의 기울기 그림

X선 회절은 그림 4와 같이 GaN 나노벽 네트워크의 결정 구조 특성화에 사용되었습니다. GaN(002) 및 GaN(004)의 두 개의 회절 피크가 Si 기판. 결과는 GaN 나노벽 네트워크가 육각형이고 C를 따라 높게 배향되어 있음을 보여줍니다. 중심선. XRD 패턴 외에도 GaN(002)의 ω-scan 로킹 곡선도 그림 4의 삽입과 같이 측정되었습니다. 반치의 전체 너비는 사파이어에서 성장한 이전 보고서와 유사한 52.2arcmin입니다. 기판 [27]. 293K에서 Van der Pauw Hall 측정 시스템(HL5500PC, Nanometrics)을 사용하여 전기적 특성도 측정했습니다. GaN 나노월 네트워크의 전기 전도도, 홀 이동도 및 전자 농도는 10.2S/cm, 31cm ^{입니다. 2} /V 및 2.1×10 ¹⁸ cm ^{− 3} , 각각. GaN 필름의 경우 2.2×10 ²⁰ 의 높은 전자 농도로 인해 전기 전도도가 666.7S/cm로 증가합니다. cm ^{− 3} . 필름의 높은 캐리어 농도는 최적화되지 않은 Ga/N 비율에 의해 생성된 높은 고유 결함 농도 때문일 수 있습니다. 필름의 홀 이동도 값은 18.7cm ² 입니다. /대.

GaN 나노벽 네트워크의 X선 회절 패턴(S₂ ). 삽입은 샘플 S₂의 ω-스캔 요동 곡선입니다.

그림 5는 여기 소스로 He-Cd 레이저를 사용하는 GaN 나노벽 네트워크의 광발광 스펙트럼을 보여줍니다. Kesaria et al.의 보고서[17]에 따르면, 베어 사파이어 기판에서 성장된 GaN 필름, 나노벽 네트워크 및 나노컬럼 간의 음극 발광의 직접적인 비교가 수행되었습니다. 그들의 결과는 나노벽 네트워크의 밴드 에지 방출이 나노컬럼보다 약간 높고 필름보다 훨씬 높다는 것을 보여줍니다. 520에서 620에 중심을 둔 광범위한 결함 방출은 나노벽 네트워크에서 관찰할 수 있지만 나노컬럼에서는 결함 방출이 관찰되지 않습니다. 그림 5에서 363.7nm를 중심으로 하는 강한 밴드 에지 방출이 14.1nm의 반값에서 전체 너비로 관찰됩니다. Kesaria et al.의 보고서[17]와 잘 일치하여 520~620nm 범위에서 점 결함[28]으로 인한 넓은 녹황색 방출이 감지 가능하지만 매우 약하여 GaN 나노벽의 고품질을 나타냅니다. 회로망. 따라서 베어 사파이어 기판과 Al 방울이 있는 Si 기판에서 성장한 GaN 나노벽 네트워크의 발광은 성장 메커니즘은 다르지만 거의 동일합니다.

실온에서 측정된 GaN 나노벽 네트워크의 광발광(PL) 스펙트럼