[논문 리뷰] Impact of the Ga flux incidence angle on the growth kinetics of self-assisted GaAs nanowires on Si(111)

Marco Vettori, Alexandre Danescu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 07.

Nanowire Synthesis and Applications참고 문헌 42인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 분자선 에pitaxial (MBE)에서 Ga 플럭스의 입사각이 Si(111) 기질 상에서 자가보조 GaAs 나노와이어의 성장 동역학에 크게 영향을 준다는 것을 입증한다. 서로 다른 각도(27.9° 및 9.3°)를 가진 두 개의 Ga 셀을 사용하여, 이 각도가 표면 및 면으로의 확산을 통해 드롭렛으로의 Ga 아토믹 공급을 조절함으로써, 나노와이어 길이, 지름, 드롭렛 형태에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이는 정밀한 나노와이어 기하학 제어를 위한 이전에 간과된 매개변수임을 시사한다.

ABSTRACT

In this work we show that the incidence angle of group-III elements fluxes plays a significant role on the diffusion-controlled growth of III-V nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy (MBE). We present a thorough experimental study on the self-assisted growth of GaAs NWs by using a MBE reactor equipped with two Ga cells located at different incidence angles with respect to the surface normal of the substrate, so as to ascertain the impact of such a parameter on the NW growth kinetics. The as-obtained results show a dramatic influence of the Ga flux incidence angle on the NW length and diameter, as well as on the shape and size of the Ga droplets acting as catalysts. In order to interpret the results we developed a semi-empirical analytic model inspired by those already developed for MBE-grown Au-catalyzed GaAs NWs. Numerical simulations performed with the model allow to reproduce thoroughly the experimental results (in terms of NW length and diameter and of droplet size and wetting angle), putting in evidence that under formally the same experimental conditions the incidence angle of the Ga flux is a key parameter which can drastically affect the growth kinetics of the NWs grown by MBE.

연구 동기 및 목표

• 분자선 에pitaxial을 통해 Si(111) 기질 상에서 자가보조 GaAs 나노와이어의 성장 동역학에 미치는 Ga 플럭스 입사각의 영향을 조사하기 위해.
• 기타 조건이 동일한 상황에서 Ga 플럭스 입사각의 변화가 나노와이어 축방향 및 반경방향 성장 속도에 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 관측된 나노와이어 형태 및 드롭렛 특성에 기인한 물리적 메커니즘, 특히 아토믹 공급 경로를 규명하기 위해.
• 플럭스 입사각이 드롭렛으로의 Ga 공급에 미치는 영향를 고려한 반경험적 모델을 개발하고 실험 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 동일한 노미널 플럭스 속도(0.5 ML/s)로 작동하는 이중 Ga 셀 MBE 반응기(입사각 27.9° (Ga(5)) 및 9.3° (Ga(7)))를 사용하여 GaAs 나노와이어를 성장시켰다.
• 각 Ga 셀을 사용하여 성장 시간(5–80분)을 변화시킨 시스템적 성장 실험을 수행하여 축방향 및 반경방향 성장 동역학을 분석하였다.
• 스캐닝 전자현미경(SEM) 및 드롭렛 형태 분석을 통해 나노와이어 길이, 지름, 젖음 각도를 특성화하였다.
• 기판 표면 및 나노와이어 면에서 드롭렛으로의 Ga 아토믹 확산을 기반으로 한 반경험적 분석 모델을 개발하였으며, 플럭스 입사각 효과를 통합하였다.
• 나노와이어 길이, 지름, 드롭렛 크기 및 젖음 각도의 실험적 경향을 재현하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 특히 나노와이어 길이가 면에서의 Ga 아토믹 확산 길이를 초월할 때의 전이를 중심으로 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하여 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ga 플럭스의 입사각은 Si(111) 기질 상에서 자가보조 GaAs 나노와이어의 축방향 및 반경방향 성장 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 Ga 아토믹 공급 경로를 중심으로, 다양한 플럭스 각도에서 관측된 나노와이어 형태 및 드롭렛 형태의 차이를 이끌어내는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 노미널 플럭스 속도가 동일한 상황에서 Ga(7) 셀(9.3°)가 Ga(5) 셀(27.9°)보다 짧은 나노와이어를 생성하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 기판 및 나노와이어 면에서의 Ga 아토믹 확산 길이가 드롭렛 공급 및 따라서 성장 동역학에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 플럭스 입사각 효과를 고려한 반경험적 모델이 자가보조 GaAs 나노와이어의 실험적 성장 거동을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• Ga 플럭스 입사각은 나노와이어 길이 및 지름에 상당한 영향을 미치며, 80분 성장 후 Ga(7)As 나노와이어가 Ga(5)As 나노와이어보다 현저히 짧게 나타났다.
• 짧은 성장 시간(≤30분) 동안은 두 셀 간의 나노와이어 길이가 유사하지만, 장시간 성장 시에는 급격한 분리가 발생하여 시간과 기하학적 조건에 따라 영향을 받는다는 것을 시사한다.
• 성장 시간이 증가할수록 드롭렛 젖음 각도가 증가하며, Ga(7) 셀에서는 더 큰 각도를 보여, 공급 동역학의 변화로 인해 드롭렛 형태 및 부피가 변화함을 시사한다.
• 관측된 차이의 주요 메커니즘은 표면 및 면에서의 확산을 통한 입사각에 의존하는 Ga 아토믹 공급이며, 특히 나노와이어 길이가 면에서의 Ga 아토믹 확산 길이를 초월할 경우에 두드러진다.
• 모델 분석 결과, 나노와이어 길이가 면에서의 확산 길이를 초월하면 면 확산이 주요 Ga 공급 경로로 전환되며, 그 효율성은 플럭스 입사각에 따라 달라진다.
• 본 연구는 Ga 플럭스의 입사각이 자가보조 MBE 성장에서 나노와이어 기하학 및 성장 동역학 제어에 있어 중요하고 이전에 간과된 매개변수임을 입증한다.