[논문 리뷰] Comparison of GaN nanowires grown on various sapphire substrates

Carina B. Maliakkal, A. Azizur Rahman외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 04.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 27인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 니켈 촉매를 사용한 금기화학기수증기증착(MOCVD)을 통해 c-면, r-면, m-면 사파이어 기질 상에서 GaN 나노와이어 성장에 대해 조사한다. 기질의 정렬 방향이 나노와이어 성장 방향(  또는  축 방향)을 결정짓는다는 점을 입증하며, 최적화된 조건에서 X선 회절(XRD), 전자현미경, 광발광 및 라만 분광법으로 특징지어진 얇고 고순도의 나노와이어를 얻을 수 있었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기질 정렬이 GaN 나노와이어 성장 형태와 결정학적 정렬에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 온도, 압력, 기체 유량 등의 성장 조건을 최적화하여 얇고 고순도의 나노와이어를 만드는 것.
• 다른 사파이어 평면 정렬 상에서 성장한 GaN 나노와이어의 구조적 및 광학적 성질을 특성화하는 것.
• 기질의 기울기 및 결정학적 면이 나노와이어 핵형성과 축 방향 성장에 미치는 영향를 이해하는 것.

제안 방법

• III-V 전구체로 트리메틸갈륨과 암모니아를 사용한 금기화학기수증기증착(MOCVD)을 적용하였다.
• 나노와이어 형성의 증기-액체-고체(VLS) 성장 메커니즘을 가능하게 하기 위해 니켈 촉매를 사용하였다.
• 기울기 의존성 성장을 조사하기 위해 c-면, r-면, m-면 사파이어 기질을 사용하였다.
• 온도, 반응기 압력, 운반 기체 조성 등의 성장 조건을 체계적으로 변화시켰다.
• 결정 구조 및 정렬을 평가하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하였다.
• 전자현미경, 광발광 및 라만 분광법을 통해 구조적, 광학적 및 진동 특성을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 c-, r-, 또는 m-면 사파이어 기질의 기질 정렬이 GaN 나노와이어의 성장 방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 온도, 압력, 유량 등의 성장 조건 중 어떤 것이 가장 얇고 균일한 GaN 나노와이어를 생성하는가?
• RQ3 운반 기체의 선택이 나노와이어 형태 및 결정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 각 사파이어 면 상에서 형성된 GaN 나노와이어의 결정학적 정렬은 무엇인가?
• RQ5 기질 정렬에 따라 구조적 및 광학적 성질은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• c-면 사파이어 기질 상에서 GaN 나노와이어는  축 방향으로 주로 성장하였고, r-면 및 m-면 기질 상에서는  축 방향으로 성장하였다.
• 기질 정렬이 표면 에너지와 격자 매칭의 차이로 인해 성장 방향을 직접적으로 결정지었다.
• 최적화된 성장 조건에서 전자현미경으로 확인된 바와 같이, 결함이 최소화된 얇고 고비율의 나노와이어가 형성되었다.
• X선 회절 분석을 통해 모든 기질 상에서 고순도의 투르지트 GaN 구조가 확인되었다.
• 광발광 측정을 통해 강한 근대역 에미션을 관찰하여 높은 광학적 품질을 확인하였다.
• 라만 분광법을 통해 GaN 진동 모드의 존재를 확인하였고, 나노와이어 내의 잠재적 스트레인 및 결함 상태에 대한 통찰을 제공하였다.