연필 모양의 GaN/(In,Ga)N 코어-쉘 나노와이어의 전자 단층 촬영

결과 및 토론

표면 형태 및 크리스탈 패싯

그림 3a 및 b는 투시도(중앙)와 30° 단계의 낮은 굴절률 방향을 따라 다양한 뷰에서 완전한 NW 및 NW 정점의 등가곡면 표현을 보여줍니다. 그림은 각각 외부 결정 모양과 표면 패싯을 보여줍니다. 재구성의 하단 섹션은 NW의 예상 육각 실린더를 표시하며 일반 비극성 \( \left\{1\overline{1}00\right\} \) m - 평면 표면 면. 결정면과 평면은 HAADF 이미지와 동시에 촬영한 해당 전자 회절 패턴을 기반으로 결정됩니다. 이러한 SAD 패턴의 예는 − 90° 방향, 즉 [\( 1\overline{1}00\Big] \) 영역 축을 따라 제공됩니다(그림 3b 참조). NW 상단은 \( \left\{1\overline{1}01\right\} \) s로 구성된 피라미드 모양을 반영합니다. -평면 및 \( \left\{1\overline{1}02\right\} \) r - 평면 패싯, 그러나 서로 완벽하게 대칭으로 위치하지 않습니다. 매우 작은 삼각형 모양의 표면 면(그림 3b에서 녹색 화살표로 표시)이 \( \left\{2\overline{2}01\right\} \)를 나타내는 NW 팁 가까이에 있습니다. -유형 패싯. 피라미드 팁 모양의 이러한 약간의 비대칭은 샘플에서 자주 발견됩니다(그림 1 참조). 이 편차의 이유는 다음 단락에서 논의되는 결함 상호작용과 관련이 있습니다.

a의 등가곡면 표현 단일 NW 및 b 중앙에 투시도가 있고 GaN의 낮은 굴절률 방향(ZA, 구역 축)을 따라 다양한 시야각이 있는 NW 정점. 또한 몇 가지 예시적인 m -, s - 및 r -평면 패싯에 레이블이 지정됨(녹색 화살표는 \( \left\{2\overline{2}01\right\} \) -type의 패싯을 나타냄)

라벨이 붙은 r 위 -평면 패싯과 \( \left\{2\overline{2}01\right\} \) 패싯, 맨 위에 불규칙한 NW "모자"가 형성됩니다. 동일한 웨이퍼의 여러 NW를 포함하는 라멜라 TEM 샘플에 대한 고해상도(HR) TEM 측정은 적층 결함의 존재와 NW 상단 영역(여기에 표시되지 않음)에서 결정 격자가 육각형에서 입방체로 변경되었음을 보여줍니다. 이러한 구조적 변화는 GaN 코어(ca . 850 °C) [5, 7].

내부 (In,Ga)N 쉘 구조

NW의 단층 촬영은 (In,Ga)N 껍질의 내부 구조, 화학 조성 및 공간 분포에 대한 정보를 추출하는 데 사용되었습니다. (In,Ga)N 쉘과 GaN 매트릭스 재료 사이의 낮은 복셀 대비로 인해 쉘 구조의 3D 등가면 표현에 쉽게 액세스할 수 없습니다. 따라서 대안으로 재구성된 3D 단층 촬영에서 얇은 슬라이스를 추출하여 내부 쉘 구조를 시각화합니다.

그림 4는 NW 팁과 와이어 축을 따라 5개의 단면 슬라이스의 예를 보여줍니다. 각 슬라이스의 두께는 약 7 nm입니다. 조각의 방향은 육각형 6중 대칭이 고려되는 방식으로 선택되었습니다. 따라서 슬라이스는 그림 3b에 소개된 라벨링에 따라 서로 30° 회전됩니다. 이 점을 더 설명하기 위해 − 60° 기울어진 슬라이스의 공간 위치와 함께 NW의 3D 렌더링 이미지(즉, \( \left(\overline{2}110\right) \ ) 격자 평면)이 그림에 추가로 주어집니다.

단층 촬영을 통한 단면 슬라이스. NW 및 슬라이스(왼쪽 위 모서리)의 3D 렌더링 표현은 − 60° 기울어진 슬라이스의 공간적 위치를 지정합니다. 모든 슬라이스는 NW 팁을 관통하고 NW 성장 축에 평행한 축을 중심으로 회전됩니다. 역전 도메인(ID)과 스태킹 결함(SF)의 위치가 표시됩니다. 슬라이스 방향은 그림 3의 라벨에 해당합니다. 검정색 눈금 막대의 길이는 50 nm

(In,Ga)N의 재구성된 복셀은 GaN에 비해 강도가 약간 더 높습니다. 결과적으로 그림 4의 색상 코드를 참조하면 GaN은 녹색으로 표시되는 반면 In 함유 층은 명확성을 위해 붉은색으로 표시됩니다. 단면 슬라이스는 NW의 코어 쉘 구조를 보여줍니다. (In,Ga)N 과잉 성장에 대한 성장 온도의 감소로 인해 GaN 코어의 형태가 변경되지 않고 (In,Ga)N 성장이 등각 방식으로 진행된다고 가정하는 것이 합리적입니다. 따라서 (In,Ga)N 내부 쉘과 GaN 외부 쉘은 GaN NW 코어의 형태를 대략적으로 복제합니다. 특히, (In,Ga)N 레이어는 완전한 m- 로 변하는 와이어 주위의 평면 쉘 - 그리고 r - NW 끝에 평면면이 있는 피라미드 껍질. 내부 쉘의 끝은 c -평면 패싯을 상한 및 하한 경계로 사용합니다(다음 단락 참조).

또한, 그림 4는 다양한 (In,Ga)N 층 두께에 대한 개요를 제공합니다. m -평면 쉘은 두께가 1 nm에 불과합니다(HAADF STEM 현미경 사진에 따라 \( \left\langle 11\overline{2}0\right\rangle \) 방향, 참조 추가 파일 1:그림 S1) 반면 <나> - 그리고 r -평면 패싯의 두께는 8~14 nm입니다. 이 두께 차이는 다양한 패싯의 이질적인 성장 속도[28, 29]와 MBE 성장[30] 동안 낮은 인듐 확산에 의해 유도된 그림자 효과의 결과입니다. 또한, 인듐 혼입 속도는 c에서 가장 높은 값을 갖는 패싯 방향에 의존하기 때문에 인듐 원자는 쉘 구조를 따라 균일하게 분포되지 않습니다. -평면 레이어 [31]. 또한 쉘의 일부 영역에서 농도가 인터페이스에 가까울수록 더 높은 것으로 보입니다. m -평면 쉘은 재구성에서 제대로 해결되지 않습니다. 라돈 변환의 회전 축은 Crowther 기준에 따라 NW 중앙에서 최상의 단층 촬영 해상도를 달성하기 위해 NW 팁을 관통하도록 선택되었습니다.

− 60° 방향 슬라이스는 10 nm 너비의 고강도 스트립을 보여줍니다. 이 스트립은 또한 틸트 시리즈의 HAADF 이미지에서 밝은 대비로 볼 수 있습니다. 암시야 g₀₀₀₂ 측정은 Kong et al.의 유사한 구조 관찰에 따른 반전 도메인 경계의 존재를 나타냅니다. [32]. 반전 도메인은 기판과 NW 사이에 위치하는 의도하지 않은 티타늄 원자층(마스크 잔류물)에 의해 유도된 것으로 밝혀졌습니다. 이 반전 영역의 전자 단층 촬영은 다음에서 설명하는 것처럼 타원형 실린더의 모양을 나타냅니다.

쉘 구조의 완전한 3D 상상을 얻기 위해 단면에 추가하여 NW 축에 수직인 단층 촬영을 통한 일련의 평면도 슬라이스가 만들어졌습니다. 그림 5에는 높이가 다른 9개의 슬라이스가 서로 다른 높이 위치를 나타내는 단면과 함께 첫 번째 슬라이스의 공간적 위치와 함께 표시되어 있습니다. 모든 평면도 슬라이스의 너비는 3.6 nm입니다.

평면도는 단층 촬영을 통해 슬라이스합니다. NW의 3D 렌더링 표현과 슬라이스(왼쪽 위 모서리)는 슬라이스 1의 공간 위치를 지정합니다. 모든 슬라이스는 [0001] 방향에 수직이고 다른 슬라이스 위치는 단면 슬라이스(오른쪽 아래 ). 슬라이스의 너비는 3.6 nm입니다. 흰색 눈금 막대의 길이는 50 nm에 해당합니다.

그림 5는 전자 단층 촬영 없이는 실험적으로 접근할 수 없었던 내부 NW 구조에 대한 두 가지 새로운 통찰력을 제공합니다. 첫째, NW 직경과 평면뷰 슬라이스 면적이 아래에서 위로 감소하는 것이 직접적으로 명백하며, 이는 NW의 연필 모양의 결과입니다. 그러나 타원형 실린더와 같은 반전 영역에 가까운 측벽은 제자리에 머물며 다른 측벽보다 느리게 치수 변화가 있다는 점에 주목해야 합니다. 등가면 표현과의 비교(그림 3 참조)는 이 측벽이 매우 긴 m를 갖는 외부 GaN 쉘에 해당함을 보여줍니다. - 삼각형 모양으로 변하는 평면 패싯, \( \left\{2\overline{2}01\right\} \)-like facet(그림 3의 녹색 화살표). 따라서 역전 도메인의 존재는 가장 가까운 측벽의 고정을 초래하는 전체 성장 동역학에 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다. 결과적으로 NW 팁의 중심은 반전 영역으로 이동하고 반대면은 m에서 더 낮은 높이로 회전해야 합니다. - s행 비행기 - 그리고 r - 변위된 NW 팁을 형성하기 위한 평면 패싯

둘째, (In,Ga)N 쉘이 항상 m -, r - 또는 s -평면 패싯 GaN 측벽. NW의 하단 부분에서 (In,Ga)N 쉘은 m로 GaN 코어의 모양을 일대일로 재현합니다. - GaN 외부 쉘과 같은 평면 패싯. 한편, NW의 피라미드 팁에서 내부 (In,Ga)N 쉘은 GaN 외부 쉘의 육각형 모양에서 벗어납니다. 예를 들어, 그림 5의 슬라이스 4는 GaN 외부 면과 (In,Ga)N 셸에 대칭 이유로 인해 예상 방향으로 30° 회전된 면이 있음을 보여줍니다. 이러한 패싯은 반극성 \( \left\{11\overline{2}l\right\} \) 패싯에 해당합니다. 슬라이스 1 및 2와 관련하여 (In,Ga)N 쉘은 6개의 면 중 2개가 약간만 발음되는 팁을 향해 육각형 모양으로 돌아갑니다. 육각형 모양에서 이러한 편차는 예상치 못한 것이며 전자 단층 촬영으로만 드러낼 수 있습니다. GaN 외부 쉘이 내부 (In,Ga)N 쉘의 모양을 완전히 복제하지 않는 대신 NW 모양이 GaN NW의 예상되는 육각형 대칭으로 변경된다는 점은 주목할 만합니다.

도트인어와이어 구조

앞서 도 5에 도시된 바와 같이. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, (In,Ga)N 쉘의 끝에 증가된 인듐 함량의 삽입이 위치한다. 이 DIW 구조에 대한 더 자세한 보기는 그림 6에 나와 있습니다. 이 그림은 단층 촬영 재구성의 평면도와 단면 슬라이스의 확대 버전을 나타냅니다. 또한 도트의 3D 모양과 EDX로 측정한 인듐 분포의 등가면 표현을 보여줍니다. EDX 분석은 동일한 웨이퍼의 유사한 NW 정점에서 수행됩니다.

a 확대 평면도 및 b , ㄷ 무화과의 단면 단층 촬영. 도 4 및 5는 dot-in-a-wire 구조의 형태를 보여줍니다. d (In,Ga)N 도트의 3D 등가곡면 표현. 유사한 NW 팁에서의 EDX 측정은 e 형식으로 표시됩니다. 공간 인듐 분포 및 f를 보여주는 EDX 지도 (I) (In,Ga)N 도트, (II) (In,Ga)N 쉘, (III) GaN 외부 쉘의 세 가지 다른 영역에서 맵에서 추출된 EDX 스펙트럼

그림 6a–c의 세 조각은 점의 모양과 치수를 나타냅니다. (a)의 평면도 슬라이스를 기반으로 점은 두 개의 덜 뚜렷한 측벽이 있는 육각형 대신 평행 사변형의 기하학을 거의 표시합니다. 더 큰 두 쌍의 측벽의 길이는 각각 32 nm 및 24 nm입니다. (b)와 (c)에서 두 개의 단면 슬라이스로 주어진 점의 높이는 약 14 nm입니다. 또한, 단면 슬라이스는 r - 그리고 s - 바닥과 상단이 c를 형성하는 평면 측면 - 평면 측면. 따라서, 점 구조는 왜곡된 육각형 밑면을 가진 잘린 역 피라미드와 유사합니다. 이 3D 형태의 나노점은 그림 6d의 등가면 표현으로 더 자세히 설명되며, 이는 점의 면처리된 모양을 확인하고 추가로 더 낮은 c -평면 패싯은 더 높은 거칠기를 나타냅니다.

그림 6e 및 f는 (In,Ga)N 도트(I) 및 셸(II) 내부 및 GaN 외부 셸 내부 위치에서 가져온 스펙트럼과 함께 인듐 맵을 사용하여 EDX 측정 결과를 보여줍니다. (Ⅲ). In-Lα의 강도 없음 ₁ 라인은 GaN 영역(III)에서 감지됩니다. 반면에 쉘과 도트 사이의 라인 강도에는 엄청난 차이가 있어 인듐 농도의 큰 차이를 확인할 수 있다[7]. 점의 인듐 함량은 대략 (24 ± 6)%로 추정됩니다(자세한 내용은 추가 파일 1:그림 S2 참조). 따라서 EDX 맵은 (In,Ga)N-쉘과 점 사이의 명확한 공간적 분리를 허용함과 동시에 그것의 패싯 형태를 증명합니다. 또한 EDX 맵은 NW 팁에 매우 가까운 단층 촬영에서 강도가 높은 복셀이 인듐 통합으로 인해 발생하지 않음을 보여줍니다. 이러한 강도 증가는 교란된 "햇" 영역에서 적층 결함으로 인해 발생하는 HAADF 대비에 기인할 수 있습니다[25]. 또한 팁은 NW의 다른 부분에 비해 두께가 훨씬 작아 팁 영역의 질량 밀도가 과대 평가됩니다[26].

(In,Ga)N 도트의 3D isosurface 표현은 부드러운 c와 비교하여 하부 계면의 상당한 화학적 거칠기를 나타냅니다. -위의 평면 인터페이스(그림 6d 참조). 이 거칠기의 기원은 GaN NW 코어의 다면 정점에서 (In,Ga)N의 핵 생성 메커니즘과 연결될 수 있습니다. m의 (In,Ga)N 성장 동안 -, r - 및 s -평면은 인듐 농도가 작기 때문에 2D 모드에서 발생합니다. c의 인듐 함량(In,Ga)N이 훨씬 더 높습니다. -평면은 변형된 3D 핵의 성장을 초래합니다. 이 핵은 경계면을 변형시키고 최종적으로 측정된 거칠기로 이어질 주변에 응력을 생성합니다.