InP(111)B 상의 자가 촉매 InP/InAs/InP 나노필라 및 나노콘의 라만 분광학: 간단한 기판 기울기 접근법의 통찰

요약

금속유기 화학 기상 증착법(MOCVD)으로 InP(111)B 기판 상에 액체 인듐 방울을 촉매로 하여 성장시킨 자가 촉매 InP/InAs/InP 코어-쉘 나노구조체(나노필라 및 나노콘)의 광학 포논 모드를 조사했습니다. 라만 분석 결과 InAs(E1 TO, A1 TO, E1 LO)와 InP(E1 TO, A1 LO, E1 LO)의 1차 모드뿐만 아니라 InP E1(2TO), E1(LO+TO), E1(2LO)에 해당하는 2차 특징도 검출되었습니다. 나노필라 스펙트럼에서는 InAs와 InP 모두에서 저주파 분지의 LO 밴드에 적색 편이와 확장이 나타났습니다. 나노콘에서는 InAs E1 TO와 A1 LO 사이의 강한 분리가 관찰되어 III-V 나노와이어의 극성 특성을 반영했습니다. InP와 InAs LO 피크 강도는 여기 전력에 선형적으로 비례했습니다. 입사 레이저에 대한 기판 기울기를 조절함으로써 나노콘에서 InP와 InAs의 저주파 LO 포논을 억제할 수 있었습니다. 0° 기울기에서 InP E1 TO/E1 LO 강도 비는 일정했으나 30°에서 나노콘의 경우 현저히 증가했습니다. 이러한 발견은 간단한 기판 기울기 라만 프로토콜이 웨이퍼 스케일 InP/InAs/InP 이종구조체의 형상, 결정 구조, 조성을 비파괴적으로 탐구할 수 있게 하여 나노전자 및 포토닉 소자 통합을 촉진함을 보여줍니다.

배경

반도체 이종구조 나노와이어는 지난 10년간 큰 관심을 끌어왔습니다[1]. 코어-쉘, 초격자, 합금 나노와이어 등 광범위한 소재 공간에서 제작되었습니다[2-10]. 특히 InP-InAs 나노와이어는 조절 가능한 밴드갭, 높은 캐리어 이동도, 큰 항복 전계[18-19] 덕분에 발광 다이오드[14], 단일 광자 소스[15], 포토디텍터[16], 이종접합 트랜지스터[17] 등에 유망합니다. 소자 성능은 나노스케일 구성 요소의 광학적 및 전자적 특성에 달려 있으며, 이는 다시 결정성, 형태, 조성에 의존합니다[20-21]. 비파괴적 탐침인 라만 분광법은 이러한 구조적 특징에서 기인하는 포논 구속과 표면 광학 모드에 대한 통찰을 제공합니다[22-26]. 편광 의존 라만 산란은 Si[27], GaAs[28], InAs[29,30], GaP[31,32], ZnO[33], GaN[34] 등 고이방성 나노와이어에서 활성 모드의 각도 의존성을 밝혀냈습니다. 최근 발전은 설계된 기판이나 금속 장식 나노구조의 근접장 표면 공명을 통해 단일 분자 수준까지 라만 감도를 높였습니다[35-38]. 그러나 자가 촉매 웨이퍼 스케일 1차원 이종구조체의 라만 특성은 여전히 미개척 영역입니다. 라만 피크 위치, 폭, 강도의 변화는 조성, 화학적 환경, 결정성에 대한 정보를 인코딩하여 성장된 시료의 강력한 비파괴 진단 도구를 제공합니다[40]. 본 연구에서는 자가 촉매 InP/InAs/InP 코어-쉘 나노필라와 나노콘의 라만 연구를 제시하며, 형태, 결정 구조, 산란 기하학이 진동 특성에 미치는 영향을 강조합니다.

방법

1차원 나노구조체(나노필라 및 나노콘)는 Veeco D125 MOVPE 반응기에서 트리메틸인듐(TMIn), 터셔리부틸포스핀(TBP), 터셔리부틸아르신(TBA) 전구체를 사용하여 InP(111)B 상에 자가 촉매 증기-액체-고체 공정으로 제작되었습니다[13,23,41]. 나노필라는 ~350°C, 나노콘은 ~400°C에서 성장시켰습니다. 인듐 방울은 5.06×10⁻⁵ mol/min TMIn을 12초간 공급하여 in-situ로 시드했습니다. 이후 TMIn과 TBP 유량 3.74×10⁻⁶ 및 3.37×10⁻⁴ mol/min(V/III=90)으로 540초간 InP를 성장시켰습니다. H₂(10초)와 TBA(180초)로 퍼지하며 420°C로 온도를 올린 후, TBA(9.82×10⁻³ mol/min)와 TMIn(8.18×10⁻⁵ mol/min)(V/III=120)으로 10초간 InAs 쉘을 증착했습니다. 마지막으로 TMIn(3.73×10⁻⁶ mol/min)과 TBP(3.37×10⁻³ mol/min)(V/III=90)으로 60초간 InP 캡을 성장시켰습니다. InAs 단계를 생략한 시료는 순수 InP 대조군으로 사용했습니다(그림 1a 및 추가 파일 1: 그림 S1 참조).

성장 후 형태는 5kV에서 FEI NOVA 230 전계 방출 SEM으로 조사했습니다. 30개 이상의 나노구조체를 측정하여 평균 높이와 바닥 직경을 얻었습니다. InP/InAs/InP 나노필라 또는 나노콘 앙상블의 라만 스펙트럼은 Renishaw InVia 분광계를 사용하여 후방 산란 컨포컬 구성으로 기록했습니다. 레이저 유도 손상 방지를 위해 기판 기울기를 ≤35°로 제한했습니다. 514.5nm 레이저를 사용했으며 전력은 5-25mW 조절 가능, ~1µm로 집광했습니다. 스펙트럼은 0.5cm⁻¹ 분해능으로 획득했으며, Si 기판 피크(520.1cm⁻¹)로 보정하고 대칭 가우시안-로렌치안 함수로 피팅하여 피크 파라미터를 추출했습니다.

결과 및 논의

그림 1은 InP(111)B 상의 InP 나노필라, InP/InAs/InP 나노필라, InP/InAs/InP 나노콘의 전형적 형태를 보여줍니다. 모든 구조는 <111>B 방향을 따라 수직 정렬되며 약간의 테이퍼링을 보입니다. 필라는 폭 ~150nm, 높이 ≤250nm인 반면 콘은 폭 ~50nm, 높이 최대 2µm로 400°C에서 증기-액체-고체와 기상 에피택시의 상호작용을 반영합니다[13,41]. 상세한 결정학적 분석은 별도 보고되었습니다[42].

그림 2는 나노구조체 축을 따라 입사 빔이 정렬된 InP 및 InP/InAs/InP 콘과 필라의 라만 스펙트럼과 InP(111)B 및 InAs(111)B 기판 기준 스펙트럼을 제시합니다. 벌크 InP(아연 블렌드)는 단일 F₂ 모드를 가지며 TO와 LO 포논으로 분열합니다. 우르츠라이트 결정은 A₁, E₁, E₂H, E₂L 모드를 허용하며 A₁과 E₁은 LO와 TO 성분으로 분열합니다[43-44].

InP(111)B 기판과 InP/InAs/InP 나노콘의 모든 스펙트럼은 303.7cm⁻¹(TO)과 344.5cm⁻¹(LO)에서 두 피크를 보입니다. InP 나노필라는 303.8cm⁻¹과 343.0cm⁻¹에서 TO와 LO 피크를 보여 우르츠라이트 E₁ TO와 E₁ LO와 일치합니다. InP/InAs/InP 나노필라는 벌크 InP에는 없는 현저한 LO 밴드 확장을 보입니다. 303.8cm⁻¹과 341.7cm⁻¹ 피크는 InP E₁ TO와 A₁ LO에 대응합니다. LO 모드는 프뢸리히 상호작용에 특히 민감합니다[45]. 218cm⁻¹과 241cm⁻¹ 피크는 InAs E₁ TO와 E₁ LO를 나타냅니다. 나노구조체에서 InAs(111)B 대비 낮은 강도는 코어-쉘 또는 합금 형성을 시사합니다[13,42]. 나노필라에서 InAs E₁ LO와 A₁ LO의 적색 편이와 확장은 서브나노미터 특징에서의 포논 구속을 반영합니다[48-50]. 2차 모드(2TO, TO+LO, 2LO)는 600-700cm⁻¹ 사이에 나타나며, 두 포논 상태 밀도의 임계점 특이점에서 기인합니다[51]. 616과 649cm⁻¹ 피크는 2TO(Γ)와 TO(Γ)+LO(Γ)와 일치하며, 2LO 피크는 L 점 기여로 약간 청색 편이됩니다[52]. 나노콘에서는 649와 684cm⁻¹이 TO(Γ)+LO(Γ)와 2LO(Γ)에 매칭되며, 619cm⁻¹ 2TO(Γ) 피크는 높은 종횡비로 인해 약간 변위됩니다[53]. 검출된 모든 피크는 표 1에 요약되어 있습니다.

그림 4는 다양한 기판 기울기에서 여기 전력에 따른 InP TO와 LO 피크 라만 강도 변화와 해당 I(LO)/I(TO) 비율을 보여줍니다. 나노필라의 경우 전력을 5에서 25mW로 증가시킬 때 InAs E₁ TO와 A₁ LO에 2-3cm⁻¹ 적색 편이와 확장이 발생하는 반면, 나노콘은 무시할 만한 편이를 보여 레이저 가열이 최소화됨을 나타냅니다. 더 큰 유효 산란 단면적을 가진 나노필라가 나노콘보다 강한 라만 공명을 보입니다. 적분 강도는 전력에 선형적으로 증가하여 가열 효과가 없음을 확인합니다. 기판 기울기는 두 형태 모두에서 TO 반사를 LO에 비해 향상시킵니다(그림 3 및 추가 파일 1: 그림 S2). 0° 기울기에서 InP E₁ TO/E₁ LO 비율은 나노필라와 나노콘에서 유사하나, 30°에서 나노콘은 ~2.3, 필라는 ~1.3으로 상승하여 광자-격자 단면적과 표면 전기장의 변화를 반영합니다[49,56]. 이 결과는 라만 분광법과 간단한 기판 기울기를 결합하면 III-V 이종구조체에서 나노미터 스케일 해상도로 성장 형태, 결정 구조, 조성을 식별하는 강력하고 비파괴적인 도구를 제공함을 입증합니다.

결론

InP(111)B 상에 성장한 자가 촉매 InP/InAs/InP 코어-쉘 나노필라와 나노콘의 라만 분광법을 입증했습니다. 후방 산란 기하학에서 레이저 전력과 기판 기울기를 변화시킴으로써 InAs E₁ TO, A₁ TO, E₁ LO, InP E₁ TO, A₁ LO, E₁ LO 모드를 식별했습니다. 벌크 기준과 달리 나노구조체 앙상블은 2차 고조파 라만 특징(E₁ 2TO, E₁ LO+TO, E₁ 2LO)을 보입니다. 나노필라에서 LO 모드의 적색 편이와 확장, 나노콘에서 뚜렷한 E₁ TO/A₁ LO 분리가 관찰되었습니다. 라만 강도는 여기 전력에 선형적으로 비례하며, I(TO)/I(LO) 비율은 기판 기울임이 없는 한 안정적입니다. 30° 기울기에서 나노콘의 비율은 ~2.3으로 증가합니다. 이 발견은 기판 기울기를 보강한 간단하고 비파괴적인 라만 프로토콜을 확립하여 웨이퍼 스케일 III-V 이종구조체의 형상, 결정 구조, 조성을 탐구함으로써 차세대 나노전자공학 및 포토닉스 통합을 촉진합니다.

데이터 및 재료 가용성

본 연구에서 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게재 논문과 보충 정보 파일에 포함되어 있습니다.

약어

As:

아르신

EDS:

에너지 분산 분광법

In:

인듐

LO:

종방향 광학 포논

MOCVD:

금속유기 화학 기상 증착

P:

포스핀

SEM:

주사 전자 현미경

TBA:

터셔리부틸아르신

TBP:

터셔리부틸포스핀

TMIn:

트리메틸인듐

TO:

횡방향 광학 포논

WZ:

우르츠라이트 결정 구조

ZB:

아연 블렌드 결정 구조