Le dopage au tellure améliore la morphologie, la structure cristalline et la conductivité de nanofils InAs sans catalyseur sur silicium

Résumé

Nous rapportons la croissance de nanofils InAs dopés au tellure (Te) sans catalyseur par épitaxie par faisceaux moléculaires sur substrats silicium (111). La morphologie des fils — longueur plus courte et diamètre plus large — évolue progressivement avec une concentration plus élevée en Te. La microscopie électronique en transmission et la diffraction des rayons X montrent une augmentation du rapport de segments zinc-blende/(wurtzite + zinc-blende) lorsque le Te est introduit pendant la croissance. Des mesures électriques à deux points confirment qu'un niveau de Te plus élevé entraîne une hausse marquée de la conductivité. Deux séries de croissance comparables, ne différant que par la pression partielle d'arsenic d'environ 1 × 10⁻⁵ Torr tout en maintenant tous les autres paramètres constants, ont été examinées pour divers niveaux de dopage Te. Leur comparaison indique que la structure cristalline est fortement affectée et que le gain de conductivité est plus prononcé pour les fils cultivés à une pression partielle d'arsenic comparativement plus élevée.

Contexte

Les nanofils (NW) sont de plus en plus considérés comme des blocs de construction polyvalents pour les technologies émergentes, des transistors à effet de champ et photodétecteurs aux cellules solaires. Leurs propriétés exceptionnelles — rapport d'aspect élevé, dissipation d'énergie ultra-faible, et pour l'InAs, l'absence de barrière de Schottky aux interfaces métalliques — les rendent attractifs pour les applications électroniques et d'information quantique. Les NW InAs présentent une haute mobilité électronique, une masse effective faible, un grand facteur g et un fort couplage spin-orbite Rashba.

Les NW InAs conventionnels sont cultivés via une voie vapeur-liquide-solide (VLS) utilisant des gouttelettes d'or comme catalyseurs. L'or introduit des impuretés non intentionnelles et entrave l'intégration sur silicium. Pour surmonter ces limitations, nous employons une méthode vapeur-solide (VS) sans catalyseur. Dans ce mode, les phases cubique zinc-blende (ZB) et hexagonale wurtzite (WZ) peuvent coexister, avec le polytypisme et les défauts tels que les jumeaux de rotation et les fautes d'empilement affectant négativement les propriétés de transport et optiques.

Le dopage offre une voie pour améliorer le transport de charge, mais les stratégies traditionnelles de dopage III-V ne sont pas directement transférables aux NW en raison de leurs facettes de croissance anisotropes et des reconstructions de surface dépendantes de la phase. Bien que le silicium soit un dopant n-type courant, il présente un comportement amphotère qui peut être problématique dans les NW. Le tellure, un élément du groupe VI, est un dopant n-type efficace avec une faible énergie d'ionisation, une diffusion minimale et aucune activité amphotère. Le Te s'est avéré être un dopant robuste dans les NW catalysés par l'or et auto-catalysés, influençant la morphologie et la structure cristalline.

Dans cette étude, nous étudions systématiquement le dopage Te dans les NW InAs sans catalyseur, en nous concentrant sur les changements morphologiques, l'évolution de phase et la performance électrique. La microscopie électronique à balayage (MEB), la MET haute résolution (HR-MET), la DRX et les mesures électriques à deux points révèlent une tendance constante : l'incorporation de Te augmente le rapport de segments ZB et améliore la conductivité.

Méthodes/Expérimental

Les NW InAs ont été cultivés en mode VS sans catalyseur étranger sur substrats Si(111) de type n.

Préparation du substrat

Les substrats étaient nettoyés à l'HF et à l'eau DI, puis traités au peroxyde d'hydrogène pendant 45 s pour former une couche de SiO₂ de quelques angströms contenant des trous d'épingle qui agissent comme centres de nucléation. Après oxydation, les échantillons étaient transférés dans un sas, chauffés à 200 °C pendant 45 min, et dégazés à 400 °C pendant 45 min supplémentaires.

Croissance des nanofils InAs

La croissance était effectuée à 475 °C pendant 1 h 20 min dans une chambre MBE Omicron Pro 100. Un taux de croissance de 0,1 µm h⁻¹ était utilisé. L'arsenic était fourni via une cellule à craquage As, avec des pressions équivalentes de faisceau (BEP) As₄ de 2,3 × 10⁻⁵ Torr (série B) et 3,3 × 10⁻⁵ Torr (série A). Le tellure était introduit via une source GaTe ; la température de la cellule d'effusion variait de 401 °C à 562 °C, correspondant à des concentrations de porteurs de 1 × 10¹⁵ cm⁻³ à 6 × 10¹⁹ cm⁻³ dans des couches d'étalonnage GaAs.

Traitement des dispositifs

Pour les contacts à deux points, les NW étaient transférés mécaniquement sur un substrat Si pré-structuré avec 200 nm SiO₂. Après filage d'une pile de résist PMMA à trois couches, la lithographie par faisceau d'électrons définissait la géométrie des contacts. La zone de contact était passivée avec du polysulfure d'ammonium dilué à 3,5 % à 60 °C pendant 30 min. Des électrodes de 100 nm Ti et 40 nm Au étaient déposées par évaporation par faisceau d'électrons.

La liste complète des échantillons examinés par MEB, MET, DRX et mesures électriques est fournie dans le Tableau 1. Les lettres A, B et C désignent les séries cultivées à différentes pressions partielles d'As ; une température GaTe de 0 °C indique un obturateur fermé.

Résultats et discussion

Morphologie