Croissance directe, sans catalyseur, de nanofils de GaN de haute qualité sur silice fondue revêtue d'ITO par épitaxie par faisceaux moléculaires assistée par plasma

Résumé

Nous démontrons la croissance sans catalyseur, par épitaxie par faisceaux moléculaires assistée par plasma (PA-MBE), de nanofils de nitrure de gallium (GaN) monocristallins directement sur silice fondue revêtue d'oxyde d'indium-étain (ITO). En ajustant soigneusement la température de croissance et la pression équivalente de faisceau (BEP), nous obtenons des nanofils orientés verticalement (0001) avec un minimum de défauts, comme en témoigne l'absence de luminescence jaune dans les spectres de photoluminescence (PL). La microscopie à force atomique conductrice (C-AFM) confirme que des nanofils individuels dopés n présentent une bonne conductivité, soulignant le potentiel de cette plateforme pour les dispositifs optoélectroniques transparents de prochaine génération. Le protocole de croissance à basse température préserve l'intégrité de la couche ITO sous-jacente tout en fournissant un matériau GaN de haute qualité.

Introduction

Les dispositifs III-nitrures commerciaux reposent principalement sur des substrats de saphir, qui imposent des limites d'évolutivité et de coût. La silice offre une alternative moins coûteuse et largement utilisée dans l'industrie, mais sa nature isolante inhérente exige une surcouche transparente et conductrice. L'oxyde d'indium-étain (ITO) remplit les deux critères, mais les techniques de dépôt conventionnelles à haute température risquent de dégrader le film ITO. Les approches antérieures à basse température, telles que le pulvérisation ou le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), produisent souvent du GaN polycristallin avec de nombreux défauts. Nous comblons cette lacune en employant la PA-MBE, qui fournit de l'azote réactif via N₂ déchargé par RF, permettant une croissance à des températures qui épargnent l'ITO. Le rapport surface/volume élevé des nanofils atténue la contrainte de désaccord de réseau, menant à des structures monocristallines sans défauts même sur de l'ITO polycristallin.

Méthodes

Dépôt du film mince ITO

Le film ITO (≈ 100 nm) a été déposé à température ambiante par pulvérisation magnétron RF : plasma d'argon à 60 W, 2,5 mTorr et débit de gaz de 25 sccm. Avant le dépôt, les wafers de silice étaient nettoyés à l'acétone et à l'alcool isopropylique. La couche ITO résultante présentait une résistance de feuille inférieure à 10 Ω/□ après recuit.

Croissance des nanofils III-nitrures

La croissance a été réalisée dans un système PA-MBE Veeco Gen 930. La silice revêtue d'ITO a d'abord été recuite dans un four à recuit rapide à 650 °C sous Ar pendant 5 min pour améliorer la cristallinité. Les étapes de pré-nettoyage impliquaient des cuissons à 200 °C et 650 °C dans le sas de chargement. Paramètres de croissance : BEP Ga = 1×10⁻⁷ Torr, couche d'amorçage à 500 °C, suivie de la croissance des nanofils à 700 °C. La basse température du substrat empêche la dégradation de l'ITO tout en favorisant l'alignement vertical des nanofils.

Caractérisation structurale, optique et électrique

La topographie de surface et la résistance de feuille de l'ITO ont été mesurées avec un Agilent 5500 SPM. Pour la C-AFM, un contact Ni/Au de 5/5 nm a été évaporé sur les nanofils, puis recuit à 600 °C. Une pointe AFM Pt/Ir a été utilisée pour sonder le flux de courant sous un biais appliqué à l'ITO. La microscopie électronique à transmission (MET) et la MET à champ sombre annulaire à grand angle (HAADF-STEM) ont été réalisées sur des échantillons en coupe transversale préparés par un FEI Helios Nanolab FIB. Des cartes élémentaires ont été acquises par spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS). L'évaluation de la polarité a employé une attaque KOH 40 % à température ambiante pendant 1 h. La PL en fonction de la température a été enregistrée de 10 K à 290 K avec un laser 266 nm dans un cryostat refroidi à l'hélium. La transmittance UV-Vis-NIR a été mesurée avec un Shimadzu UV-3600, et la diffraction des rayons X (DRX) a été réalisée sur un Bruker D2 Phaser.

Résultats et Discussion

La stabilité thermique de l'ITO a été confirmée : le recuit jusqu'à 700 °C produisait une résistance de feuille < 10 Ω/□ mais introduisait une rugosité de surface (Fig. 1a-d). Les nanofils nucléaient directement sur l'ITO rugueux, maintenant une orientation verticale (0001) avec une densité de 9,3×10⁹ cm⁻² et un facteur de remplissage de 73 % (Fig. 2b). L'attaque KOH révélait l'élimination préférentielle de la face N-polaire, confirmant la N-polarité (Fig. 2d). Le HAADF-STEM et les profils EELS (Fig. 3a-b) montraient une interface nette, avec une couche de transition ~4 nm représentant probablement une mince intercouche GaN à phase mixte (Fig. 3d). La MET à haute résolution confirmait la monocristallinité le long de l'axe c (Fig. 3c).

Les mesures PL (Fig. 4a) montraient une émission de bord de bande dominante avec une luminescence jaune négligeable, indiquant une faible densité de défauts. La PL en fonction de la température (Fig. 4b) suivait le comportement de Varshni ; l'analyse d'Arrhenius donnait une énergie d'activation de 195 meV, et l'efficacité quantique interne (IQE) calculée à 10 K était ~67 % (Fig. 4c). Les spectres de transmittance (Fig. 4d) démontraient que les nanofils de GaN diffusent la lumière visible, réduisant la transmittance globale par rapport à l'ITO nu, mais le substrat restait hautement transparent. Les diagrammes DRX (Fig. 4e) révélaient des pics de l'ITO cristallin et une réflexion GaN(0002), confirmant la croissance verticale sur ITO polycristallin.

La C-AFM de nanofils dopés n (Fig. 5a-c) montrait une tension de seuil initiale élevée due à une barrière de Schottky à l'interface GaN/ITO. Un balayage ultérieur réduisait cette barrière, produisant un flux de courant mesurable à travers les nanofils (Fig. 5d). Ce comportement, observé dans plusieurs nanofils, suggère la possibilité de dispositifs électriquement robustes après une étape de polarisation initiale.

Conclusions

Nous avons cultivé avec succès des nanofils de GaN monocristallins sur silice fondue revêtue d'ITO en utilisant la PA-MBE à basse température. Les nanofils présentent un alignement vertical, une haute qualité cristalline, une N-polarité et une forte PL de bord de bande sans luminescence jaune. Les nanofils dopés n conducteurs démontrent une performance électrique viable, positionnant cette plateforme comme candidate prometteuse pour les dispositifs optoélectroniques transparents à haute performance.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

BEP :

Pression équivalente de faisceau

C-AFM :

Microscopie à force atomique conductrice

EELS :

Spectroscopie de perte d'énergie électronique

FIB :

Faisceau d'ions focalisé

IQE :

Efficacité quantique interne

HAADF :

Champ sombre annulaire à grand angle

HRTEM :

Microscopie électronique à transmission à haute résolution

ITO :

Oxyde d'indium-étain

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique

PA-MBE :

Épitaxie par faisceaux moléculaires assistée par plasma

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

PL :

Photoluminescence

RF :

Radiofréquence

RTA :

Recuit thermique rapide

sccm :

Centimètre cube standard par minute

SEM :

Microscopie électronique à balayage

STEM :

Microscopie électronique à transmission à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

XRD :

Diffraction des rayons X