플라즈마 보조 MBE로 ITO 코팅 융합 실리카에 고품질 GaN 나노와이어 직접 촉매 없는 성장

요약

인듐 주석 산화물(ITO) 코팅 융합 실리카 위에 단결정 질화갈륨(GaN) 나노와이어를 촉매 없이 플라즈마 보조 분자선 에피택시(PA-MBE)로 직접 성장시킴을 입증했습니다. 성장 온도와 빔 등가 압력(BEP)을 세밀하게 조정하여 최소한의 결함을 가진 수직 배향 (0001) 나노와이어를 얻었으며, 광발광(PL) 스펙트럼에서 황색 발광이 없는 것으로 확인되었습니다. 전도성 원자힘현미경(C-AFM)은 개별 n-도핑 나노와이어가 우수한 전도성을 가짐을 확인하여, 이 플랫폼이 차세대 투명 광전자 소자 잠재력을 가짐을 시사합니다. 저온 성장 프로토콜은 하부 ITO 층의 무결성을 보존하면서 고품질 GaN 물질을 제공합니다.

서론

상용 III-질화물 소자는 주로 사파이어 기판에 의존하며, 이는 확장성과 비용에 한계를 가집니다. 실리카는 저렴하고 산업 전반에 널리 사용되는 대안이지만, 본질적으로 절연체이므로 투명 전도성 오버레이가 필요합니다. 인듐 주석 산화물(ITO)은 두 조건을 모두 충족하지만, 기존 고온 증착 기술은 ITO 필름 열화 위험이 있습니다. 스퍼터링이나 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 같은 기존 저온 접근법은 종종 결함이 많은 다결정 GaN을 생성합니다. 우리는 반응성 질소를 RF 방전 N₂로 공급하여 ITO를 보호하는 온도에서 성장이 가능한 PA-MBE를 사용하여 이 격차를 해소합니다. 나노와이어의 높은 표면적-부피 비는 격자 불일치 응력을 완화하여 다결정 ITO 위에서도 단결정, 무결점 구조를 가능하게 합니다.

방법

ITO 박막 증착

ITO 필름(약 100nm)은 RF 마그네트론 스퍼터링으로 상온에서 증착했습니다: 아르곤 플라즈마 60W, 2.5mTorr, 25sccm 가스 유량. 증착 전 실리카 웨이퍼를 아세톤과 이소프로필 알코올로 세척했습니다. 어닐링 후 결과 ITO 층은 10Ω/□ 미만의 시트 저항을 보였습니다.

III-질화물 나노와이어 성장

성장은 베코(Veeco) Gen 930 PA-MBE 시스템에서 수행했습니다. ITO 코팅 실리카를 급속 열 어닐러에서 아르곤 분위기 650°C, 5분 어닐링하여 결정성을 개선했습니다. 이후 로드락에서 200°C와 650°C 베이크아웃으로 예비 세척했습니다. 성장 파라미터: Ga BEP=1×10⁻⁷Torr, 시드층 500°C, 이후 700°C 나노와이어 성장. 낮은 기판 온도는 ITO 열화를 방지하면서 수직 나노와이어 정렬을 촉진합니다.

구조적, 광학적, 전기적 특성 분석

표면 지형과 ITO 시트 저항은 아질런트 5500 SPM으로 측정했습니다. C-AFM을 위해 5/5nm Ni/Au 접점을 나노와이어에 증착 후 600°C 어닐링했습니다. Pt/Ir AFM 팁으로 ITO에 바이어스를 가해 전류 흐름을 탐침했습니다. 투과전자현미경(TEM)과 고각 환형 암시야 STEM(HAADF-STEM)은 FEI 헬리오스 나노랩 FIB로 준비한 단면 시료로 수행했습니다. 원소 맵은 전자 에너지 손실 분광법(EELS)으로 획득했습니다. 극성 평가는 40% KOH로 상온에서 1시간 식각했습니다. 온도 의존 PL은 헬륨 냉각 크라이오스탯에서 266nm 레이저로 10K~290K 범위에서 기록했습니다. UV-Vis-NIR 투과율은 시마즈 UV-3600으로, X선 회절(XRD)은 브루커 D2 페이저로 수행했습니다.

결과 및 고찰

ITO의 열 안정성 확인: 700°C까지 어닐링 시 시트 저항 <10Ω/□ 유지했으나 표면 거칠기 증가(그림 1a-d). 나노와이어는 거친 ITO 위에 직접 핵생성하여 수직 배향 (0001) 유지, 밀도 9.3×10⁹cm⁻², 충진율 73%(그림 2b). KOH 식각에서 N-극면이 선택적으로 제거되어 N-극성 확인(그림 2d). HAADF-STEM과 EELS 라인 스캔(그림 3a-b)은 날카로운 계면을 보여주며, ~4nm 전이층은 얇은 혼합상 GaN 중간층일 가능성(그림 3d). 고해상도 TEM은 c-축 방향 단일 결정성 확인(그림 3c).

PL 측정(그림 4a)은 지배적인 밴드에지 발광과 무시할 만한 황색 발광으로 낮은 결함 밀도 나타냄. 온도 의존 PL(그림 4b)은 바르슈니(Varshni) 거동 따름; 아레니우스 분석으로 활성화 에너지 195meV, 10K에서 내부 양자 효율(IQE) 약 67% 산출(그림 4c). 투과율 스펙트럼(그림 4d)은 GaN 나노와이어가 가시광을 산란시켜 전체 투과율이 벌크 ITO 대비 감소하나 기판은 여전히 고투명. XRD 패턴(그림 4e)은 결정성 ITO 피크와 GaN(0002) 반사 확인, 다결정 ITO 위 수직 성장 입증.

n-도핑 나노와이어의 C-AFM(그림 5a-c)은 GaN/ITO 계면 쇼트키 장벽으로 인한 높은 초기 턴온 전압 보임. 후속 스윕에서 장벽이 감소하며 나노와이어를 통한 측정 가능한 전류 흐름 관찰(그림 5d). 이 거동은 여러 나노와이어에서 관찰되어 초기 바이어싱 단계 후 전기적으로 강건한 소자 가능성 시사.

결론

PA-MBE 저온 공정으로 ITO 코팅 융합 실리카 위에 단결정 GaN 나노와이어를 성공적으로 성장시켰습니다. 나노와이어는 수직 정렬, 높은 결정 품질, N-극성, 황색 발광 없는 강한 밴드에지 PL을 보입니다. 전도성 n-도핑 나노와이어는 실행 가능한 전기적 성능을 보여 이 플랫폼이 투명 고성능 광전자 소자의 유망한 후보임을 입증했습니다.