[論文レビュー] Group-III assisted catalyst-free growth of InGaAs nanowires and the formation of quantum dots

Martin Heiß, Bernt Ketterer+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2010

Nanowire Synthesis and Applications被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、550 °Cという極めて低い温度で、触媒を用いない群III族助剤を用いた分子線エpitaxyを用いて、InGaAsナノワイヤーを成長させることに成功した。この条件下では、ナノワイヤーのコアにおけるインジウム含有量は3–5%に制限される。低温度での径方向成長は、表面にインジウムが豊富なナノドームを形成し、最大20%のインジウム含有量を示した。これらのナノドームは量子ドットに類似した構造を形成し、超鋭い光励起発光を示しており、高品質な赤外線用オプトエレクトロニクス素子への応用が期待される。

ABSTRACT

Growth of GaAs and InGaAs nanowires by the group-III assisted Molecular Beam Epitaxy growth method is studied in dependence of growth temperature, with the objective of maximizing the indium incorporation. Nanowire growth was achieved for growth temperatures as low as 550°C. The incorporation of indium was studied by low temperature micro-photoluminescence spectroscopy, Raman spectroscopy and electron energy loss spectroscopy. The results show that the incorporation of indium lowering the growth temperature does not have an effect in increasing the indium concentration in the bulk of the nanowire, which is limited to 3-5%. For growth temperatures below 575°C, indium rich regions form at the surface of the nanowires as a consequence of the radial growth. This results in the formation of quantum dots, which exhibit extremely sharp luminescence.

研究の動機と目的

• 触媒を用いない群III族助剤を用いた分子線エpitaxyを用いて、低温度で高インジウム含有量のInGaAsナノワイヤーを実現すること。
• 成長温度がインジウム含有量およびナノワイヤーの形状に与える影響を調査すること。
• 低温度で成長させたInGaAsナノワイヤーに観察される超鋭い光励起発光の起源を解明すること。
• 径方向成長および表面におけるインジウムの分離が、量子ドットに類似した構造を形成する原因であるかどうかを特定すること。
• 金触媒を用いずに高インジウム含有量のInGaAsナノワイヤーを成長させることの可能性を検討すること。

提案手法

• GaAsおよびInGaAsナノワイヤーは、SiO₂被膜を施した(001)GaAs基板上において、550 °Cから590 °Cの温度範囲で群III族助剤を用いた分子線エpitaxyによって成長させた。
• III-V族元素の流量を一定に保ち、温度を変化させた系統的なシリーズ実験を実施し、純粋なGaAsナノワイヤーを基準として用いた。
• 低温度でのマイクロ光励起発光、ラマン分光法、および電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて、光学的および組成的特性を分析した。
• 高分解能透過型電子顕微鏡（HR-STEM）およびナノワイヤー径方向におけるEELSラインスキャンを実施し、インジウム濃度プロファイルをマッピングした。
• ナノワイヤー先端付近でEELSマップを取得し、軸方向および触媒ドロップレットにおけるインジウム分布を評価した。
• ナノワイヤーの傾斜（径方向成長の指標）とインジウムの分離パターンを照合することで、成長メカニズムを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 触媒を用いない群III族助剤を用いた分子線エpitaxyを用いて、低温度で高インジウム含有量のInGaAsナノワイヤーを実現できるか？
• RQ2 低成長温度下での径方向成長が、表面にインジウムが豊富な領域および量子ドットに類似した構造を形成するか？
• RQ3 成長温度、コアにおけるインジウム濃度、および超鋭い光励起発光の発生との間にどのような関係があるか？
• RQ4 低温度下でのナノワイヤー径方向および軸方向におけるインジウム分布はどのように変化するか？
• RQ5 高インジウム含有量のナノドームが形成される原因は何か？また、それらが観察された光学的特性に果たす役割は何か？

主な発見

• 群III族助剤を用いた触媒を用いない分子線エpitaxyを用いて、550 °Cという極めて低い温度でInGaAsナノワイヤーを効果的に成長させることに成功した。
• 成長温度の低下に関係なく、ナノワイヤーのコアにおけるインジウム含有量は3–5%に制限された。
• 575 °C未満の温度で、径方向成長が表面にインジウムが豊富なナノドームを形成し、最大20%のインジウム含有量を示した。
• 高さ5 nm、長さ50 nmのこれらのナノドームは、Stranski-Krastanov型量子ドットと構造的・形態的類似性を示した。
• 超鋭い光励起発光が観察され、励起パワー依存性が量子ドットに類似した特徴を示しており、局在状態の存在を示唆した。
• ナノワイヤー先端部では、触媒ドロップレットにおけるインジウム含有量が最大80%に達し、その下にある固体InGaAsでは最大40%のインジウム含有量を示した。これは、成長終盤における軸方向へのインジウムの強化された挿入を示唆している。