[論文レビュー] Comparison of GaN nanowires grown on various sapphire substrates

Carina B. Maliakkal, A. Azizur Rahman+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 27被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ニッケル触媒を用いた金属オルガニック化学蒸着法（MOCVD）を用いて、c面、r面、m面サファイア基板上におけるGaNナノワイヤの成長を調査した。基板の面方位がナノワイヤの成長方向（ ̂ または ̂ 軸に沿う）を顕著に制御することを示し、最適化された成長条件により、X線回折（XRD）、電子顕微鏡、光励起分光、ラマン分光法で評価された薄く高品質なナノワイヤが得られた。

ABSTRACT

Gallium nitride nanowires were grown on c-plane, r-plane and m-plane sapphire substrates in a showerhead metalorganic chemical vapor deposition system using nickel catalyst with trimethylgallium and ammonia as precursors. We studied the influence of carrier gas, growth temperature, reactor pressure, reactant flow rates and substrate orientation in order to obtain thin nanowires. The nanowires grew along the and axes depending on the substrate orientation. These nanowires were further characterized using x-ray diffraction, electron microscopy, photoluminescence and Raman spectroscopy.

研究の動機と目的

• 基板の面方位がGaNナノワイヤの成長形貌および結晶指向に与える影響を調査すること。
• 温度、圧力、ガス流量などの成長パラメータを最適化し、薄く高品質なナノワイヤを得ること。
• 異なるサファイア面方位上に成長させたGaNナノワイヤの構造的および光学的特性を評価すること。
• 基板のミスカットおよび結晶面がナノワイヤの核生成および軸方向成長に与える影響を理解すること。

提案手法

• トリメチルガリウムとアンモニアをIII-V族前駆体として用い、金属オルガニック化学蒸着法（MOCVD）を用いて成長を行った。
• ナノワイヤ形成のための気相-液体-固体（VLS）成長メカニズムを実現するためにニッケル触媒を用いた。
• c面、r面、m面のサファイア基板を用い、面方位依存の成長を検討した。
• 温度、反応器圧力、キャリアガス組成などの成長パラメータを体系的に変化させた。
• X線回折（XRD）を用いて結晶構造および指向性を評価した。
• 電子顕微鏡、光励起分光、ラマン分光法を用いて構造的、光学的、振動的特性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 c面、r面、m面サファイア基板の面方位が、GaNナノワイヤの成長方向にどのように影響を与えるか？
• RQ2 温度、圧力、流量などの成長パラメータが、最も細く均一なGaNナノワイヤを生成するか？
• RQ3 キャリアガスの選択が、ナノワイヤの形態および結晶性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 各サファイア面に成長したGaNナノワイヤの結晶指向性は何か？
• RQ5 構造的および光学的特性が、基板の面方位に応じてどのように変化するか？

主な発見

• c面サファイア基板上ではGaNナノワイヤが ̂ 軸に沿って、r面およびm面サファイア基板上では ̂ 軸に沿って成長した。
• 基板の表面エネルギーおよび格子マッチングの違いにより、基板の面方位が直接的に成長方向を決定した。
• 最適化された成長条件下では、電子顕微鏡による確認も含め、欠际が少なく、高アスペクト比のナノワイヤが得られた。
• XRD分析により、すべての基板上において高品質なウルツァイト相GaN構造が確認された。
• 光励起分光測定により、強い近バンドギャップ発光が観察され、光学的品質の高さが示された。
• ラマン分光法によりGaNモードの存在が確認され、ナノワイヤ内の応力および欠际状態に関する洞察が得られた。