Controle da Morfologia de GaN em Si(111) por Pré-Deposição de Al e Razão Ga/N em MBE

Resumo

Ao ajustar a razão Ga/N e introduzir uma breve pré-deposição de Al, alcançamos controle preciso sobre os modos de crescimento de GaN — nanocolunas, redes de nanoparedes e filmes compactos — em Si(111) via epitaxia de feixe molecular assistida por plasma (PA-MBE). Nanocolunas de GaN surgiram sob condições ricas em N em Si nu, enquanto um fluxo maior de Ga produziu filme compacto denso. Notavelmente, uma pré-deposição de Al de 40 segundos antes do crescimento de GaN gerou uma rede contínua de nanoparedes no plano. Microscopia de força atômica revelou que o Al forma gotículas de ~80 nm (~6,7 nm de altura). Propomos um modelo de crescimento onde GaN nucleia em Si nu, mas o crescimento é suprimido acima das gotículas de Al, levando à rede característica. Esta abordagem elimina obstáculos na fabricação de nanodispositivos e demonstra uma rota escalável para nanoestruturas de GaN de alta qualidade em silício.

Introdução

O nitreto de gálio (GaN) é um semicondutor de banda larga direta com amplas aplicações em optoeletrônica e eletrônica de potência. O crescimento heteroepitaxial de GaN em substratos de silício é altamente desejável devido ao baixo custo, grande diâmetro de wafer e infraestrutura de processamento madura do Si. No entanto, o grande descompasso de rede (~17%) e diferença de coeficiente de expansão térmica entre GaN e Si levam a alta densidade de discordâncias de rosca e rachaduras, degradando o desempenho do dispositivo. Nanocolunas e nanofios de GaN podem relaxar efetivamente a tensão, mas seu crescimento controlado em Si permanece desafiador. A epitaxia de feixe molecular assistida por plasma (PA-MBE) oferece controle preciso sobre fluxos de feixe e cinética de superfície, tornando-a ideal para engenharia de nanoestruturas.

Trabalhos anteriores demonstraram que a razão de fluxo Ga/N influencia criticamente a morfologia de GaN: condições ricas em N favorecem crescimento 1D (nanofios/nanocolunas), enquanto condições ricas em Ga promovem crescimento 2D (filmes planos). A modificação da superfície do substrato, como pré-deposição de metais, pode alterar ainda mais os sítios de nucleação e a dinâmica de crescimento. O alumínio, com seu pequeno raio atômico e alta mobilidade superficial em Si, forma gotículas nanométricas que podem atuar como máscaras de crescimento ou sítios de nucleação seletiva.

Métodos

Crescimento por PA-MBE

Todos os experimentos foram realizados em sistema PA-MBE Veeco GENxplor. Substratos de Si(111) (resistividade 1-10 Ω·cm) foram limpos por desengraxe padrão com solventes, seguidos de ataque com HF 1% para remover óxido nativo, e carregados na câmara de crescimento. O substrato foi desgasificado a 800 °C por 30 min sob fluxo de N₂ para desorver hidrogênio residual. A temperatura de crescimento foi mantida a 750 °C, medida por pirometro óptico. O fluxo de N foi fixado em 1,0 sccm com potência de plasma de 300 W. O fluxo de Ga foi variado para obter diferentes razões Ga/N. Para pré-deposição de Al, a célula de Al foi aberta por 40 s antes da abertura do obturador de Ga, com temperatura da célula de Al definida para produzir fluxo equivalente a ~0,5 ML/s. A espessura total de GaN foi mantida em ~200 nm para todas as amostras.

Caracterização

A morfologia da superfície foi examinada por microscopia de força atômica (MFA, Bruker Dimension Icon) no modo de toque. A estrutura cristalina e qualidade foram avaliadas por difração de raios X de alta resolução (HRXRD, Panalytical X'Pert Pro) e microscopia eletrônica de transmissão (MET, FEI Titan 80-300). Mapeamento de catodoluminescência (CL) foi realizado a 10 K para investigar propriedades ópticas.

Resultados e Discussão

Efeito da Razão Ga/N na Morfologia

Sob condição rica em N (razão Ga/N ≈ 0,8), nanocolunas de GaN verticalmente alinhadas com diâmetro de ~50 nm e densidade de ~5×10⁹ cm⁻² formaram-se em Si(111) nu (Fig. 1a). As nanocolunas exibiram facetas laterais {1-100} lisas e topo plano. Aumentando o fluxo de Ga para razão Ga/N ≈ 1,2, resultou em filme compacto, denso e contínuo com rugosidade RMS < 1 nm (Fig. 1b). Em razão Ga/N intermediária (~1,0), observou-se morfologia mista de nanocolunas coalescidas e regiões planas. Esses resultados confirmam que a razão Ga/N é uma alavanca primária para comutação do modo de crescimento em Si nu.

Pré-Deposição de Al Induz Rede de Nanoparedes

Com pré-deposição de Al de 40 s em Si(111) seguido de crescimento de GaN sob condição rica em Ga (razão Ga/N ≈ 1,2), uma notável rede de nanoparedes no plano emergiu (Fig. 1c). Imagens de MFA mostram paredes interconectadas formando padrão poligonal com largura típica de parede de 30-50 nm e tamanho de malha de 80-120 nm. As gotículas de Al observadas antes do crescimento de GaN tinham diâmetro lateral de ~80 nm e altura de ~6,7 nm (Fig. 2). A rede de nanoparedes é contínua no plano, sem lacunas visíveis, e as paredes são cristalinas com orientação de crescimento [0001].

Imagens de MFA de morfologias de GaN: a nanocolunas (Ga/N ≈ 0,8, Si nu), b filme compacto (Ga/N ≈ 1,2, Si nu), c rede de nanoparedes (Ga/N ≈ 1,2, pré-deposição de Al 40 s). Barras de escala: 500 nm.

a Imagem de MFA de gotículas de Al após pré-deposição de 40 s. b Perfil de altura através de uma gotícula típica. Inseto: distribuição de tamanho de gotículas.

Mecanismo de Crescimento

Propomos o seguinte modelo de crescimento (Fig. 3): (1) Gotículas de Al formam-se em Si(111) durante a pré-deposição, com tamanho determinado pelo fluxo de Al e temperatura do substrato. (2) Durante o crescimento de GaN, adátomos de Ga e N difundem-se na superfície. A nucleação de GaN ocorre preferencialmente em Si nu entre as gotículas, onde a energia de superfície é menor. (3) O crescimento é suprimido diretamente acima das gotículas de Al devido à barreira de energia mais alta para nucleação na interface Al/GaN e/ou dessorção de espécies de Ga/N da superfície do Al. (4) À medida que o crescimento prossegue, as frentes de crescimento de GaN a partir de sítios de nucleação adjacentes encontram-se, formando paredes que delineiam as posições originais das gotículas de Al. (5) As gotículas de Al são eventualmente incorporadas ou empurradas para as junções da rede. Este mecanismo de "máscara de gotícula" explica a rede de nanoparedes auto-organizada e sua periodicidade correspondendo ao espaçamento das gotículas de Al.

Modelo esquemático de crescimento: a formação de gotículas de Al, b nucleação seletiva de GaN em Si nu, c formação de paredes por coalescência de frentes de crescimento, d rede final de nanoparedes com Al nas junções.

Propriedades Estruturais e Ópticas

HRXRD confirmou estrutura wurtzita de fase única para todas as morfologias. As nanocolunas e rede de nanoparedes mostraram picos (0002) mais agudos que o filme compacto, indicando melhor qualidade cristalina ao longo do eixo c. Mapeamento CL revelou emissão de banda próxima uniforme em toda a rede de nanoparedes, com intensidade comparável ao filme compacto, confirmando alta qualidade óptica apesar da morfologia complexa. A largura de linha de emissão de banda próxima foi < 15 meV a 10 K para todas as amostras.

Conclusões

Demonstramos controle preciso sobre a morfologia de GaN em Si(111) via PA-MBE através do ajuste da razão Ga/N e pré-deposição de Al. Nanocolunas formam-se sob condições ricas em N, filmes compactos sob condições ricas em Ga, e uma rede contínua de nanoparedes no plano emerge com pré-deposição de Al de 40 s sob condições ricas em Ga. O mecanismo de máscara de gotículas de Al fornece uma rota escalável e sem litografia para nanoestruturas de GaN padronizadas em silício, eliminando etapas complexas de nanofabricação. Esta abordagem abre caminho para dispositivos de GaN em Si integrados monoliticamente com geometrias nanoestruturadas projetadas.

Abreviações

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

PA-MBE:

Epitaxia de feixe molecular assistida por plasma

MFA:

Microscopia de força atômica

HRXRD:

Difração de raios X de alta resolução

MET:

Microscopia eletrônica de transmissão

CL:

Catodoluminescência

ML:

Monocamada

RMS:

Raiz do quadrado médio