[논문 리뷰] Group-III assisted catalyst-free growth of InGaAs nanowires and the formation of quantum dots

Martin Heiß, Bernt Ketterer외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 23.

Nanowire Synthesis and Applications인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 550 °C에서의 촉매 자유, 그룹-III 보조 분자선 에pitaxial을 통해 InGaAs 나노와이어를 성장시키며, 핵의 인듐 도핑 농도가 3–5%로 제한됨을 보여주었다. 저온에서의 균열 성장은 최대 20%의 인듐 농도를 가진 표면 인듐 농축 나노도메인을 형성하며, 양자점 유사한 구조를 만들며 초고조도 광발광을 나타내어 고품질 적외선 옵티오일렉트로닉 장치의 잠재성을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 촉매 자유 그룹-III 보조 분자선 에pitaxial을 통해 저온에서 높은 인듐 도핑을 갖는 InGaAs 나노와이어를 얻는 것.
• 성장 온도가 인듐 도핑 농도와 나노와이어 형태에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 저온에서 성장한 InGaAs 나노와이어에서 초고조도 광발광 특성의 기원을 이해하는 것.
• 균열 성장과 표면 인듐 분할이 양자점 유사 구조 형성에 기여하는지 확인하는 것.
• 금속 촉매 없이 고인듐 함량을 갖는 InGaAs 나노와이어를 성장시킬 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 550 °C에서 590 °C 사이의 온도에서 SiO₂ 코팅된 (001) GaAs 기판 위에 GaAs 및 InGaAs 나노와이어를 그룹-III 보조 분자선 에pitaxial을 이용해 성장시켰다.
• 고정된 III-V 원소 유량을 유지한 채로 온도 시리즈 실험을 수행하였으며, 순수한 GaAs 나노와이어를 기준으로 삼았다.
• 저온에서의 마이크로 광발광, 라만 스펙트로스코피, 전자 에너지 손실 분석(EELS)을 통해 광학적 및 조성적 특성을 분석하였다.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HR-STEM)과 나노와이어 직경을 가로질러 수행한 EELS 선형 스캔을 통해 인듐 농도 프로파일을 매핑하였다.
• 나노와이어 끝자락 근처에서 EELS 맵을 확보하여 축 방향 및 촉매 방울 내 인듐 분포를 평가하였다.
• 나노와이어의 경사진 형태(균열 성장의 징후)와 인듐 분할 패tern을 연관시켜 성장 메커니즘을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온에서 촉매 자유 그룹-III 보조 분자선 에pitaxial을 통해 고인듐 도핑을 갖는 InGaAs 나노와이어를 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 저온에서의 균열 성장이 표면 인듐 농축 영역과 양자점 유사 구조 형성에 기여하는가?
• RQ3 성장 온도, 핵 내 인듐 농도, 초고조도 광발광 특성 형성 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 저온에서 나노와이어 직경 방향 및 축 방향의 인듐 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 고인듐 농도를 가진 나노도메인 형성의 원인은 무엇이며, 관측된 광학적 특성에서의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 그룹-III 보조 촉매 자유 분자선 에pitaxial을 통해 550 °C에서 InGaAs 나노와이어를 성공적으로 성장시켰다.
• 성장 온도를 낮추어도 나노와이어 핵 내 인듐 농도는 3–5%로 제한되었다.
• 575 °C 이하의 온도에서 균열 성장이 발생하여 최대 20% 인듐 농도를 가진 표면 인듐 농축 나노도메인을 형성하였다.
• 높이 5 nm, 길이 50 nm인 이 나노도메인은 Stranski-Krastanov 양자점과 구조적·형태학적으로 유사성을 보였다.
• 초고조도 광발광 특성이 관측되었으며, 자극 전력 의존성이 양자점의 특성과 유사하여 局부된 상태의 존재를 시사하였다.
• 나노와이어 끝자락 근처에서 촉매 방울 내 인듐 농도는 최대 80%에 도달하였고, 그 아래의 고체 InGaAs에서는 최대 40% 인듐을 기록하여 성장 말기 동안 축 방향 인듐 도핑이 향상됨을 시사하였다.