La surface d'isoconcentration calculée montre que les couches d'indium ne sont pas plates, mais forment des coquilles coniques creuses au sommet du GaN pendant l'épitaxie par faisceau moléculaire.
(Phys.org) —Les nanofils semi-conducteurs (NW) sont extrêmement petits :les NW d'un lot récent fabriqué par des scientifiques de la division d'électronique et photonique quantiques de PML mesurent environ 200 nanomètres de diamètre (moins de 1/500e de l'épaisseur d'un cheveu humain) et 6 à 10 micromètres de long, avec des couches intégrées aussi minces que 3,3 nm. Mais malgré leur taille, les semi-conducteurs NW sont sur le point de jouer un rôle très important dans l'éclairage à semi-conducteurs, capteurs chimiques, et des sondes scientifiques à l'échelle nanométrique.
D'abord, cependant, les chercheurs devront déterminer comment fabriquer des diodes électroluminescentes (DEL) NW à haut rendement dont la composition et la morphologie sont fiables et uniformes, chacun avec le même spectre d'émission optique et d'autres propriétés critiques. Et cela, à son tour, nécessitera une compréhension détaillée de la façon d'obtenir le placement et la localisation optimaux des différentes espèces atomiques au fur et à mesure que le fil et ses différentes couches se forment.
Maintenant, Norman Sanford et ses collègues de l'Optoelectronic Manufacturing Group, avec des collaborateurs de la Colorado School of Mines, ont fait des progrès majeurs vers cet objectif dans une nouvelle étude. Ils ont utilisé la méthode d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) signature du groupe pour faire croître des nanofils de GaN avec de fines couches d'InGaN intégrées à intervalles. Pour utiliser un tel NW comme source lumineuse, une tension est appliquée au fil, et les sections InGaN forment des puits quantiques qui piègent des paires électron-trou qui se recombinent pour produire de la luminescence.
"Le puits quantique rend ce processus de recombinaison-luminescence bien plus efficace que si vous aviez juste un simple, jonction p-n abrupte dans GaN, " dit Sanford. " Cependant, afin d'être une source efficace de luminescence dans une bande de longueur d'onde étroite, le puits quantique doit rester compact et uniforme. Si l'indium diffuse dans les régions environnantes, le puits s'étend, et cela ne fonctionnera pas efficacement. Différentes parties spatiales avec différentes concentrations d'indium auront des bandes interdites différentes et auront donc tendance à émettre de la lumière à différentes longueurs d'onde. Nous voulions étudier les facteurs qui affectent le fait qu'un puits reste localisé ou se disperse à mesure que la structure grandit. »
Schéma d'un nanofil avec plusieurs couches d'InGaN intégrées pendant le processus de croissance.
Les conditions de croissance optimales pour les segments GaN et InGaN séparés peuvent être différentes. Les chercheurs ont donc fabriqué différents NW sur une plage de températures et de propriétés de faisceau moléculaire, puis examiné l'effet que ces conditions avaient sur les puits. Faire cela, ils ont utilisé une version d'une technique appelée tomographie par sonde atomique assistée par laser (L-APT). Dans une enceinte à ultra-vide à environ 54 K, une haute tension constante est appliquée à un NW. À la fois, l'énergie d'un laser ultraviolet pulsé est dirigée vers l'extrémité extrême du fil. Les atomes à la pointe s'ionisent, sont tirés de la pointe sous le champ électrique élevé, et se rendre à un détecteur d'ions bidimensionnel à environ 90 mm.
Le détecteur enregistre l'emplacement de chaque ion arrivant; puis en utilisant les impulsions laser comme signaux de synchronisation, les chercheurs peuvent déterminer le temps de vol de chaque ion – et donc son rapport charge/masse. Les événements d'impact ionique sur le détecteur sont mappés à leur origine à partir de la pointe de l'échantillon, et les données accumulées sont utilisées pour construire une image tridimensionnelle de la composition chimique de chaque partie du fil.
Le groupe a découvert que les conditions de formation du fil avaient un effet très significatif sur la localisation des couches d'InGaN. "Il est possible d'induire la diffusion et la dispersion des couches d'InGaN si les conditions de croissance des couches de GaN suivantes ne sont pas correctement ajustées pour garantir que les régions d'InGaN restent intactes, " dit Sanford. "Dans certains cas, nous constatons que la consolidation des couches d'InGaN peut être détruite lors de la croissance ultérieure d'un segment de GaN, même sans aucun signe extérieur évident de cela révélé dans les nanofils. De plus, les puits quantiques d'InGaN qui restent localisés se présentent sous la forme de fines coquilles coniques d'InGaN noyées dans les nanofils de GaN (et axialement concentriques avec eux) plutôt que de structures plates en forme de disque.
« L-APT est particulièrement bien adapté pour montrer un rendu 3D des puits quantiques InGaN et la distribution de l'indium dans le dispositif à nanofils. À notre connaissance, c'est la première fois que L-APT est utilisé pour examiner l'impact des variations du processus de croissance dans l'étude de ces structures. microscopie électronique à transmission à haute résolution.
Les scientifiques ont également découvert que la variation de certains paramètres L-APT, telles que l'énergie d'impulsion laser, peut provoquer des mesures parasites du rapport apparent du gallium et de l'indium à l'azote, indiquant une surabondance apparente (mais non physique) des constituants métalliques par rapport à l'azote. Ce phénomène, les chercheurs spéculent, peut résulter d'énergies d'impulsion laser élevées provoquant la désorption des atomes d'azote neutres du NW. Ces atomes ne seraient pas comptés par le détecteur d'ions.
À gauche :l'image colorisée montre la sonde du manipulateur utilisée pour placer un nanofil (bleu) dans un trou percé dans le poteau de montage (vert). À droite :le nanofil est soudé en place avec du platine et le bras manipulateur est retiré.
Sans surprise, il est exceptionnellement difficile de manipuler des nanofils individuels de ces dimensions. Pour l'analyse L-APT, une sonde de manipulation de tungstène a été "soudée" avec du platine à un seul fil. Ensuite, le fil a été placé dans un trou percé dans le poteau d'échantillon et soudé. Enfin, la sonde du manipulateur a été arrachée, laissant le NW debout verticalement sur le poteau et prêt pour l'analyse L-APT.
"Le plus grand défi est probablement de proposer un schéma de montage fiable afin que les échantillons survivent à l'ensemble du processus d'analyse L-APT sans se fracturer de manière catastrophique, " Sanford dit. " Il a fallu des dizaines de tentatives de montage d'échantillons afin d'atteindre les résultats présentés. Le problème se pose puisque l'intensité du champ électrique à la pointe de l'échantillon pendant le fonctionnement est de l'ordre de 10 V/nm. C'est un champ électrique assez élevé, mais il doit être aussi élevé pour extraire les ions et les amas d'ions directement de la pointe de l'échantillon pour une analyse spectrale de masse en temps de vol ultérieure. Nous travaillons toujours à améliorer le schéma de montage de l'échantillon pour le rendre plus fiable et plus résistant."
Mais pour l'instant, "même avec l'ambiguïté probable de la cartographie de la concentration 3D absolue d'azote, " dit Kris Bertness, collègue de Sanford, leader du projet de métrologie des semi-conducteurs pour la conversion d'énergie, "il est clair que la cartographie 3D résolue par L-APT du gallium et de l'indium a, pour la première fois, ont fourni des informations essentielles pour aider à guider le processus de croissance de ces importantes hétérostructures à l'échelle nanométrique GaN/InGaN."
