Микро- и наноструктуры GaN, селективно выращенные на профилированных подложках сапфира методом ПА-МПЭ без использования литографии
Аннотация
Цель статьи – разработка технологии формирования упорядоченных массивов наноколонн (НК) и микрокристаллов GaN методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии (ПА-МПЭ) на профилированных подложках сапфира (ППС) большого диаметра с микроконусным профилем. В предлагаемом методе исключено использование низкопроизводительных и дорогостоящих методов нанолитографии. Статья направлена на более глубокое понимание процессов, определяющих кинетику роста наноколонн III-N методом ПА МПЭ на профилированных подложках сапфира с множественной ориентацией различных неполярных и полярных плоскостей.
Предложен новый технологический процесс изготовления НК GaN с помощью ПА-МПЭ, в котором обеспечивается селективность их роста на вершинах микроконусов ППС и подавляется рост на полуполярных плоскостях этих подложек. НК и микрокристаллы GaN были выращены методом ПА-МПЭ на коммерчески доступных ППС.
Разработана технология формирования разряженных массивов наноколонн GaN без применения литографических процедур. Установлены режимы, позволяющие формировать микрокристаллы и НК с различным диаметром: от 30 нм до нескольких микрон. Построена диаграмма роста GaN методом ПА МПЭ на ППС, демонстрирующая границы технологических режимов формирования GaN НК и микрокристаллов с различной топографией поверхности
Скачивания
Литература
Li S., Waag A. GaN based nanorods for solid state lighting. Journal of Applied Physics. 2012;111: 071101. https://doi.org/10.1063/1.3694674
Mandl M., Wang X., Schimpke T., … Strassburg M. Group III nitride core–shell nano- and microrods for optoelectronic applications. Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters. 2013;7(10): 800–814. https://doi.org/10.1002/pssr.201307250
Zhao C.; Alfaraj N.; Subedi R. C., …Ooi B. S. IIInitride nanowires on unconventional substrates: From materials to optoelectronic device applications. Progress in Quantum Electronics. 2018;61: 1–31. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2018.07.001
Chen F., Ji X., Lau S. P. Recent progress in group III-nitride nanostructures: from materials to applications. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2020;142: 100578. https://doi.org/10.1016/j.mser.2020.100578
Schimpke T., Mandl M., Stoll I., … Strassburg M. Phosphor-converted white light fromblue-emitting InGaN microrod LEDs. Physica Status Solidi A. 2016;213(6): 1577–1584. https://doi.org/10.1002/pssa.201532904
Sun H., Li X. Recent advances on III-nitride nanowire light emitters on foreign substrates – toward flexible photonics. Physica Status Solidi A. 2019;216: 1800420. https://doi.org/10.1002/pssa.201800420
Meier J., Bacher G. Progress and challenges of InGaN/GaN-based core–shell microrod LEDs. Materials. 2022;15: 1626. https://doi.org/10.3390/ma15051626
Adhikari S., Kremer F., Lysevych M., Jagadishae C., Tan H. H. Core–shell GaN/AlGaN nanowires grown by selective area epitaxy. Nanoscale Horizons. 2023;8: 530. https://doi.org/10.1039/d2nh00500j
Zhao S., Djavid M., Mi Z. Surface emitting, high efficiency near-vacuum ultraviolet light source with aluminum nitride nanowires monolithically grown on silicon. Nano Letters. 2015;15: 7006–7009. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b03040
Mi Z., Zhao S., Woo S. Y., … Botton G. A. Molecular beam epitaxial growth and characterization of Al(Ga)N nanowire deep ultraviolet light emitting diodes and lasers. Journal of Physics D: Applied Physics. 2016;49: 364006. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/36/364006
Djavid M., Mi Z. Enhancing the light extraction efficiency of AlGaN deep ultraviolet light emitting diodes by using nanowire structures. Applied Physics Letters. 2016; 108: 051102. https://doi.org/10.1063/1.4941239
Zhao C., Ebaid M., Zhang H., … Ooi B. S. Quantified hole concentration in AlGaN nanowires for high-performance ultraviolet emitters. Nanoscale. 2018;10: 15980–15988. https://doi.org/10.1039/C8NR02615G
Holmes M. J., Choi K., Kako S., Arita M., Arakawa Y. Room-temperature triggered single photon emission from a III-nitride site-controlled nanowire quantum dot. Nano Letters. 2014;14(2): 982–986. https://doi.org/10.1021/nl404400d
Yamamoto T., Maekawa M., Imanishi Y., Ishizawa S., Nakaoka T., Kishino K. Photon correlation study of background suppressed single InGaN nanocolumns. Japanese Journal of Applied Physics. 2016;55: 04EK03. https://doi.org/10.7567/JJAP.55.04EK03
Mäntynen H., Anttu N., Sun Z., Lipsanen H. Single-photon sources with quantum dots in III–V nanowires. Nanophotonics. 2019;8(5): 747–769. https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0007
Arakawa Y., Holmes M. J. Progress in quantumdot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview. Applied Physics Reviews. 2020;7: 021309. https://doi.org/10.1063/5.0010193
Dai J., Liu B., Zhuang Z., … Xie, Fabrication of AlGaN nanorods with different Al compositions for emission enhancement in UV range. Nanotechnology. 2017;28: 385205. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa7ba4
Nami M., Eller R. F., Okur S., Rishinaramangalam A. K., Liu S., Brener I., Feezell D. F. Tailoring the morphology and luminescence of GaN/InGaN coreshell nanowires using bottom-up selective-area epitaxy. Nanotechnology. 2017;28: 025202. https://doi.org/10.1088/0957-4484/28/2/025202
Hasan S. M. N., You W., Ghosh A., Sadaf S. Md., Arafin S. Selective area epitaxy of GaN nanostructures: MBE growth and morphological analysis. Crystal Growth & Design. 2023. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.2c01506
Shubina T. V., Pozina G., Jmerik V. N., … Ivanov S. V. III-nitride tunable cup-cavities supporting quasi whispering gallery modes from ultraviolet to infrared. Scientific Reports. 2015;5: 17970. https://doi.org/10.1038/srep17970
Jmerik V. N., Kuznetsova N. V., Nechaev D. V., … Ivanov S. V. Selective area growth of N-polar GaN nanorods by plasma-assisted MBE on micro-cone-patterned c-sapphire substrates. Journal of Crystal Growth. 2017;477: 207–211. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.05.014
Semenov A. N., Nechaev D. V., Troshkov S. I., … Ivanov S. V. Features of the selective growth of GaN nanorods on patterned c-sapphire substrates of various configurations. Semiconductors. 2018;52(13): 1770–1774. https://doi.org/10.1134/S1063782618130158
Kim J., Choi U., Pyeon J., So B., Nam O. Deep-ultraviolet AlGaN/AlN core-shell multiple quantum wells on AlN nanorods via lithography-free method. Scientific Reports. 2018;8: 935. https://doi.org/10.1038/s41598-017-19047-6
Shen J., Yu Y., Wang J., Zheng Y., Gan Y., Li G. Insight into the Ga/In flux ratio and crystallographic plane dependence for MBE self-assembled growth of InGaN nanorods on patterned sapphire substrates. Nanoscale. 2020;12(6): 4018–4029. https://doi.org/10.1039/c9nr09767h
Ahn M. J., Jeong W. S., Shim K. Y., … Byun D. Selective-area growth mechanism of GaN microrods on a plateau patterned substrate. Materials. 2023;16: 2462. https://doi.org/10.3390/ma16062462
Wang J., Guo L. W., Jia H. Q., … Zhou J. M. Fabrication of patterned sapphire substrate by wet chemical etching for maskless lateral overgrowth of GaN. Journal of the Electrochemical Society. 2006;153(3): C182. https://doi.org/10.1149/1.2163813
Takano T., Mino T., Sakai J., Noguchi N., Tsubaki K., Hirayama H. Deep-ultraviolet light-emitting diodes with external quantum efficiency higher than 20% at 275 nm achieved by improving light-extraction efficiency. Applied Physics Express. 2017;10: 031002. https://doi.org/10.7567/APEX.10.031002
Tautz M., Weimar A., Graßl C., Welzel M., Díaz D. D. Anisotropy and mechanistic elucidation of wet-chemical gallium nitride etching at the atomic level. Physica Status Solidi A. 2020;217(21): 2000221. https://doi.org/10.1002/pssa.202000221
Sun Q., Yerino C. D., Leung B., Han J., Coltrin M. E. Understanding and controlling heteroepitaxy with the kinetic Wulff plot: A case study with GaN.Journal of Applied Physics. 2011;110: 053517. https://doi.org/10.1063/1.3632073
Li H., Geelhaar L., Riechert H., Draxl C. Computing equilibrium shapes of wurtzite crystals: the example of GaN. Physical Review Letters. 2015;115: 085503. https://doi.org/10.1103/PhysRev-Lett.115.085503
Jmerik V. N., Nechaev D. V., Ivanov S. V. Kinetics of metal-rich PA molecular beam epitaxy of AlGaN heterostructures for mid-UV photonics. In: Molecular beam epitaxy (second edition). M. Henini (ed.). Elsevier; 2018. pp. 135–179. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812136-8.00008-6
Koblmüller G., Averbeck R., Riechert H., Pongratz P. Direct observation of different equilibrium Ga adlayer coverages and their desorption kinetics on GaN (0001) and (000-1) surfaces. Physical Review B. 2004;69: 035325. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.035325
VanMil B. L., Guo H., Holbert L. J., … Myers T. H. High temperature limitations for GaN growth by RF-plasma assisted molecular beam epitaxy: Effects of active nitrogen species, surface polarity, and excess Ga-overpressure. Physica Status Solidi (c). 2005;2(7): 2174–2177. https://doi.org/10.1002/pssc.200461573
Fernández-Garrido S., Koblmüller G., Calleja E., Speck J. S. In situ GaN decomposition analysis by quadrupole mass spectrometry and reflection high-energy electron diffraction. Journal of Applied Physics. 2008;104: 033541. https://doi.org/10.1063/1.2968442
Copyright (c) 2023 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
