Nano Letters：磷化銦P-N結二極管納米線的高產量生長和表征

【摘要】

埃因霍芬理工大學和代爾夫特理工大學的科學家最近在Nano Letters上發文，報道了單晶<100>InP納米線（NW）的摻雜，并且以其為基礎研究了P-N結的結構和光電性能。研究者們采用P型摻雜的InAsP，通過增加過渡層的方法實現了與NW之間的低接觸電阻。 第一次以<100>取向的InP NW為基礎的p-n結光電器件中實現了單晶NW LED的制備。同時，為了獲得較高的垂直產量，他們還研究了在NW生長的過程中引入摻雜劑的影響。

【引言】

半導體NW是一種在納米尺度的結構，它們在很多領域諸如光電、量子計算以及熱電都有很好的應用前景。NW一般生長在垂直于（111）面的基底上，而（100）晶面是半導體技術施用的標準，并且<100>晶向納米線的生長和摻雜控制對于其來說非常重要。

納米線的生長沿著晶格方向是不盡相同的，取決于不同的晶體取向。而大部分的NW生長方向是<111>，然而在電子工業應用中<100>晶向是技術標準。在控制NW晶體<111>生長目前仍然面臨很大的挑戰。相對而言，未摻雜的<100>InP NWs總是保持著純的閃鋅礦晶格結構，半導體摻雜在光電器件功能化中具有很重要的潛質，然而對單晶<100>NWs的摻雜研究不甚明朗。本篇報道中，科學家們研究了以<100>InP NWs為基礎的P-N結的結構和光電性能，并且研究了在NW生長過程中引入摻雜劑的影響。

【表征】

圖1 <100> p-n結NW的結構分析。（a） HAADF STEM圖表明p-n摻雜的<100>InP NW的概覽圖像，摻雜劑的摩爾分量為4×10-6（DEZn）和3×10-5（H2S）；（b）為圖（a）中納米線的FFT（fast Fourier transform）圖 ；圖（c,d）為圖（a）的高分辨STEM，表明p，n型摻雜的<100>InP NW均表現出純的閃鋅礦結構。

研究者使用（100）InP為NW的生長基底，由圖1a可知該納米線具有一個純的纖鋅礦結構以及較平整的{100}側面，無面缺陷。圖b證明了閃鋅礦的結構，并確認了納米線<100>生長方向。圖c、d表明無論是P型或N型摻雜，NW均保持良好的閃鋅礦結構，且無缺陷。

【電性能測試】

研究人員同時又對P型摻雜<100> NW的電性能進行了測試。用4點探針測試法，以Ti/Au金屬接觸單個納米線，N型摻雜NW的電阻一般達到幾千歐姆，相應的摻雜濃度達到10?18 cm?3，以鈦/金為接觸點已廣泛用于單摻雜InP納米線的研究，而對于P型摻雜的NW，則采用Ti/Zn/Au接觸點。使用兩點探針法將會導致I-V曲線是非線性的，這種非線性的現象是由于在金屬和半導體的接觸面形成了肖特基接觸（Schottky contacts），較差的電學接觸會形成一個潛在的勢壘（對于電子器件來說，一般要避免產生肖特基接觸，而盡量形成歐姆接觸）。用四點探針法測得其電阻達到幾十個兆歐，相應的摻雜濃度<10 17 cm?3。

由于Zn摻雜的InP最高的空穴濃度經檢測為2~5×10 18cm-3范圍內，而要實現良好的歐姆接觸，空穴濃度需要達到5×10 18cm-3，并且需要退火處理。為了避免這些缺點，研究者提出采用一軸延伸的P型InAsxP1?x摻雜，As的含量隨著時間線性增加，直到15min以后AsH3 和 PH3的分壓達到一致，可以在p型摻雜的 InAsP 和 InAs之間形成良好的歐姆接觸。

圖2 以具有漸進層的<100>InP NW為基礎的p-n結光電性能。（a）具有漸進層的單晶n-InP/p-InP/p-InAsP <100> NW示意圖。（b）室溫、黑暗狀態下的單晶<100> InP NW p?n的I-V曲線。（c）4K溫度時，具有漸進層的單晶<100> InP NW p?n結EL（電致發光）性能，注入電流700 nA，NW直徑80nm。

【摻雜的影響】

由圖2 采用兩點測試法得到的I-V數據，可以看出閾值電壓比較高并且導通電流曲線比較陡峭，(這是由于2.5V的開電壓和較低的Zn的摻雜濃度導致的)。預估該器件的串聯電阻達到1MΩ，（由于p型摻雜部分的串聯電阻，相比較之前的器件它提升了兩個數量級)。實驗同時通過測試NW LED的電致發光（EL）研究了其光電學性能，觀察發現在室溫下EL的強度下降了一個數量級。

圖3 摻雜 <100>InP NW的垂直產率。（a）生長在p型摻雜InP基底上的p型摻雜InP NW傾斜30°的SEM（比例尺：500nm）（b）以H2S (n型摻雜劑) 和DEZn(p型摻雜劑) 的摩爾分量為函數的納米線的垂直產率。

為了確保<100>InP NW高的垂直產率和良好的重現性，在2尺寸的晶圓上納米壓印光刻Au催化劑。為考察P或N型NW的影響，分別在Zn和S摻雜的基底上生長<100>InP NW。對于Zn和S摻雜的NW，不同摻雜劑（Zn：S）的摩爾比改變3個數量級及以上不會顯著改變NW的直徑 。然而，不同的摻雜劑垂直產率截然不同，H2S摩爾分量改變3個數量級以上不會改變NW垂直產率，均保持在85%以上。但[DEZn]少量的變化就會顯著降低NW的產率。

圖4 DEZn對<100>InP NW生長的影響。（a）本征段的生長時間與垂直產率之間的關系。（b）本征段的生長時間與接觸角之間的關系。（c）DEZn摩爾分量與接觸角之間的關系。（d）接觸角與垂直產率之間的關系。

文章進一步研究了DEZn的影響，研究P型摻雜的NW與未摻雜的一段NW（I-P摻雜體系）。不同的本征段的生長時間t1和引入Zn摻雜劑以后的時間tdoped，采用高（10-4）和低（10-7）兩種[DEZn]摻雜濃度，對于低濃度摻雜在10s到3min時間內，產率由10%提高到80%。而高濃度的產率一直保持在80%以上，3min后提高到95%。有趣的是，經研究發現在生長3min內，Au與NW之間的接觸角在90 ± 5～125 ± 5° 之間變化，而接觸角125°時是NW理想的生長角度。而隨著[DEZn]摩爾分量的增加，接觸角從97 ± 3 ～117 ± 7°增加。一個高產率的<100>NW生長過程可以通過較寬范圍的[DEZn]濃度或者生長較短的本征段得以實現。

【總結】

研究者們制備了第一個基于單晶<100>取向的納米線p-n結以及通過單晶納米線器件測試了其光電性能，通過研發新穎的p-InP/p-InAsP漸變層實現了較低的p型摻雜InP接觸電阻。為實現良好的可重現性和規則性，研究了在Au的催化下<100>方向上n型摻雜 的InP NWs的垂直產率，發現不同的[DEZn]摩爾分量影響催化劑與納米線之間的接觸角，較大的接觸角導致較高的垂直產率。

【備注】

該研究成果近期發表在Nano Letters (IF:13.592)上，論文鏈接：High-Yield Growth and Characterization of <100> InP p?n Diode Nanowires

本文由材料人科普團隊學術組guhaolove1供稿，材料牛編輯整理。

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