Spontaneous and selective growth of GaN nanowires on Si (111) substrates by molecular beam epitaxy
Authors: Ευτύχης Σάββας 
Published: September 2021

Στην διδακτορική διατριβή, μελετήθηκε η αυθόρμητη επιταξιακή ανάπτυξη νανονημάτων GaN με επίταξη με μοριακές δέσμες. Οι ιδιότητες των νανονημάτων GaN εξαρτώνται από την αρχική επιφάνεια στην οποία αναπτύσσονται. Στην διατριβή αυτή, επικεντρωνόμαστε στην επίδραση που έχουν διαφορετικές αρχικές επιφάνειες στις ιδιότητες των νανονημάτων, χρησιμοποιώντας υποστρώματα Si (111). Για τον προσδιορισμό των μορφολογικών, δομικών και οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων των νανονημάτων, χρησιμοποιήσαμε μεθόδους όπως ανακλαστική περίθλαση δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), περίθλαση ακτινών Χ (X-ray diffraction, XRD), φασματοσκοπία φωτοφωταύγειας (Photoluminescence, PL) και ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (Transmission Electron Microscopy, TEM). Στην πρώτη σειρά πειραμάτων, μελετήσαμε την επίδραση της θερμοκρασίας υποστρώματος (Tsub) στην πυρηνοποίηση, ανάπτυξη και ιδιότητες των νανονημάτων GaN. Αναπτύχθηκαν δείγματα ακολουθώντας (α) ένα στάδιο εναπόθεσης GaN με σταθερή Tsub και (β) δύο στάδια εναπόθεσης GaN με χαμηλότερη Tsub στο πρώτο στάδιο. Με αυτό τον τρόπο πετύχαμε έλεγχο της διαμέτρου των νανονημάτων μεταξύ 20-40 nm. Σε ψηλές θερμοκρασίες (790-800°C) υπήρχε μειωμένη πυρηνοποίηση των νανονημάτων στα δείγματα για τα οποία ακολουθήθηκε εναπόθεση GaN ενός σταδίου. Καταφέραμε να ξεπεράσουμε αυτό τον περιορισμό χρησιμοποιώντας εναπόθεση GaN σε δύο στάδια. Η πυρηνοποίηση των νανονημάτων κατά το πρώτο στάδιο χαμηλής θερμοκρασίας, επιτρέπει ανάπτυξη των νανονημάτων σε θερμοκρασίες υποστρώματος πολύ ψηλότερες κατά το δεύτερο στάδιο.Στόχος μιας δεύτερης σειράς πειραμάτων, ήταν να μελετήσουμε πως ο σχηματισμός νιτριδίου του πυριτίου (SixNy) επηρεάζει την ανάπτυξη νανονημάτων GaN. Ο σχηματισμός του SixNy γίνεται αυθόρμητα όταν GaN αναπτύσσεται σε συνθήκες περίσσειας Ν σε καθαρή επιφάνεια υπόστρωμα Si (111). Καλύτερος έλεγχος του σχηματισμού SixNy επιτυγχάνεται με ελεγχόμενη νιτρίδωση της επιφάνειας πριν την εναπόθεση GaN. Πραγματοποιήσαμε την πρώτη συστηματική μελέτη σύγκρισης των ιδιοτήτων νανονημάτων GaN που αναπτύχθηκαν με αυθόρμητη και ελεγχόμενη νιτρίδωση επιφάνειας Si (111). Η ελεγχόμενη νιτρίδωση της επιφάνειας είχε σαν αποτέλεσμα την διαμόρφωση ενός ομοιόμορφου πάχους (1.5 nm) άμορφου SixNy στην διεπιφάνεια GaN/Si. Στην περίπτωση αυθόρμητης νιτρίδωσης δημιουργήθηκε ένα ανομοιόμορφο στρώμα στην διεπιφάνεια, με μερική παρουσία άμορφου SixNy. Η ομοιομορφία της διεπιφάνειας στην ελεγχόμενη νιτρίδωση, ενίσχυσε την ευθυγράμμιση των νανονημάτων GaN, αλλά και την περιστροφική τους συσχέτιση. Επιπλέον, μείωσε την ανομοιογένεια στο ύψος των νανονημάτων. Το μέσο ύψος των νανονημάτων ήταν το ίδιο και στις δύο περιπτώσεις, αλλά η μέση τιμή της διαμέτρου των νανονημάτων αυξήθηκε από 25 nm σε 40 nm στο δείγμα με την ελεγχόμενη νιτρίδωση της επιφάνειας, πιθανόν λόγο των εξασθενημένων επιταξιακών περιορισμών. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων με μετρήσεις φωτοφωταύγειας σε θερμοκρασία 20 Κ, έδειξε μειωμένη συνολική ένταση και αυξημένη εκπομπή σε ενέργεια 3.417 eV, σχετιζόμενη με ατέλειες, στο δείγμα με την αυθόρμητη νιτρίδωση. Σε μια τρίτη σειρά πειραμάτων, μελετήσαμε για πρώτη φορά την επίδραση των πολύ λεπτών στρωμάτων AlN (με ονομαστικά πάχη μεταξύ 0 και 1.5 nm) στην αυθόρμητη ανάπτυξη νανονημάτων GaN σε υποστρώματα Si (111). Η αύξηση του πάχους του στρώματος AlN περιορίζει σταδιακά την νιτρίδωση της επιφάνειας του υποστρώματος, και επιταχύνει την πυρηνοποίηση τρισδιάστατων νησίδων GaN. Ο σχηματισμός άμορφου SixNy αποφεύγεται τελείως στην περίπτωση 1.5 nm AlN, το οποίο καλύπτει πλήρως την επιφάνεια Si. Προσδιορίσαμε την εξάρτηση του ύψους, της διαμέτρου και της πυκνότητας των νανονημάτων GaN από το πάχος του AlN. Πολύ μικρές αλλαγές στο πάχος του στρώματος AlN (0.1 nm) έχουν σαν αποτέλεσμα σημαντικές αλλαγές ως αναφορά την διαδικασία πυρηνοποίησης των νανονημάτων, αλλά και στα χαρακτηριστικά τους (π.χ. διαφορά ύψους 300 nm). Η εναπόθεση 1.5 nm AlN είχε το βέλτιστο αποτέλεσμα σε σχέση με την πυρηνοποίηση και ανάπτυξη των νανονημάτων· ομοιογενές ύψος και σχεδόν καθόλου παρασιτικοί σχηματισμοί GaN μεταξύ νανονημάτων. Μικροσκοπία ηλεκτρονικής διέλευσης έδειξε την πλήρη χαλάρωση της πλεγματικής σταθεράς του AlN πάνω στο Si (111) και του κρυστάλλου GaN των νανονημάτων πάνω στο AlN. In situ καταγραφή των χαρακτηριστικών εικόνων από τη μέθοδο RHEED ανέδειξε την άμεση χαλάρωση του AlN, (πριν την εναπόθεση GaN). Επίσης, παρατηρήθηκε σχηματισμός κρυσταλλικού β-Si3N4 πριν την πυρηνοποίηση του στρώματος AlN.Σε μια τέταρτη σειρά πειραμάτων, μελετήσαμε την επιταξιακή συσχέτιση των νανονημάτων GaN με τα επίπεδα του κρυστάλλου Si (111). Επικεντρωθήκαμε στην επιταξιακή σχέση (0001)GaN//(111)Si των GaN νανονημάτων πάνω σε όμοια υποστρώματα Si (111) διαφορετικών γωνιών πλάγιας κοπής (miscut angle), αλλά και για νανονήματα GaN που αναπτύχθηκαν σε υποστρώματα με την ίδια γωνιά πλάγιας κοπής αλλά με διαφορετικά αρχικά στρώματα. Η επιταξιακή σχέση GaN[0001]//Si[111] υπάρχει ακόμα και στην περίπτωση όπου βρίσκετε ένα άμορφο στρώμα SixNy, πάχους 11.5 nm στην διεπιφάνεια.Τέλος, μελετήσαμε μια νέα μέθοδο για επιλεκτική ανάπτυξη κάθετων νανονημάτων GaN, με τη μέθοδο επίταξής με ατομικές δέσμες. Οι θέσεις πυρηνοποίησης καθορίστηκαν από μια μάσκα οξειδίου του πυριτίου, που αναπτύχθηκε με θερμική οξείδωση στην επιφάνεια (111) του υποστρώματος πυριτίου, και μορφοποιήθηκε με λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης (electron beam lithography) και απόξεση υλικού με ενεργά ιόντα (reactive ion etching). Η μέθοδος που αναπτύχθηκε, χρειάζεται μόνο ένα στάδιο ανάπτυξης στο θάλαμο επίταξης, π.χ. η μορφοποιημένη μάσκα SiO2 αναπτύσσεται κατευθείαν πάνω στο πυρίτιο αντί σε άλλα στρώματα GaN ή AlN. Η μελέτη διάφορων γεωμετρικών χαρακτηριστικών της μάσκας, σε συνδυασμό με θεωρητικούς υπολογισμούς, επέτρεψαν την μελέτη επίδρασης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της μάσκας (άνοιγμα παραθύρου μάσκας και αποστάσεις μεταξύ παραθύρων) στην κατανομή των ανεπτυγμένων νανονημάτων στα παράθυρα και στα μορφολογικά τους χαρακτηριστικά για δεδομένο μήκος διάχυσης ατόμων Ga στην επιφάνεια της μάσκας. Βρέθηκαν οι δυνατότητες και οι περιορισμοί της συγκεκριμένης μεθόδου επιλεκτικής ανάπτυξης. Παράθυρα με διάμετρο μικρότερη των 50 nm και με απόσταση μεταξύ των παραθύρων μεγαλύτερη των 500 nm έχουν σαν αποτέλεσμα την επιλεκτική ανάπτυξη νανονημάτων σε σχεδόν όλα τα παράθυρα στη μάσκα.