[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）并使用Ni催化剂，在c面、r面和m面蓝宝石衬底上研究了GaN纳米线的生长。结果表明，衬底取向对纳米线生长方向（沿 或 轴）具有决定性影响，通过优化参数可获得薄而高质量的纳米线，其结构与光学特性经X射线衍射（XRD）、电子显微镜、光致发光和拉曼光谱表征。

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.

研究动机与目标

• 研究衬底取向对GaN纳米线生长形貌和晶体学取向的影响。
• 优化温度、压力和气体流量等生长参数，以获得薄而高质量的纳米线。
• 表征在不同蓝宝石晶面取向衬底上生长的GaN纳米线的结构与光学性质。
• 理解衬底偏角和晶体学平面如何影响纳米线成核与轴向生长。

提出的方法

• 采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法，以三甲基镓和氨气作为III-V族前驱体。
• 采用镍催化剂以实现气-液-固（VLS）生长机制，促进纳米线形成。
• 选用三种蓝宝石衬底——c面、r面和m面，以研究取向依赖的生长行为。
• 系统调节生长参数，包括温度、反应室压力和载气组成。
• 采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构与取向。
• 电子显微镜、光致发光和拉曼光谱用于结构、光学与振动特性的表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 衬底取向（c面、r面或m面蓝宝石）如何影响GaN纳米线的生长方向？
• RQ2 哪些生长参数（温度、压力、流量）可获得最细且最均匀的GaN纳米线？
• RQ3 载气的选择如何影响纳米线的形貌与结晶质量？
• RQ4 在每种蓝宝石晶面衬底上，所得GaN纳米线的晶体学取向是什么？
• RQ5 结构与光学性质如何随衬底取向而变化？

主要发现

• 在c面蓝宝石上，GaN纳米线优先沿 轴生长；在r面和m面蓝宝石上，纳米线则沿 轴生长。
• 衬底取向直接决定了生长方向，原因在于不同表面能与晶格匹配度的差异。
• 优化后的生长条件可获得薄而高长径比的纳米线，缺陷极少，电子显微镜结果证实了这一点。
• XRD分析证实所有衬底上均具有纤锌矿结构的GaN，且结晶质量高。
• 光致发光测量显示强近带边发射，表明光学质量优异。
• 拉曼光谱证实了GaN特征振动模式的存在，并提供了关于纳米线中应变与缺陷态的深入信息。