Crecimiento directo sin catalizador de nanohilos de GaN de alta calidad sobre sílice fundida recubierta con óxido de indio y estaño mediante MBE asistida por plasma

Resumen

Demostramos el crecimiento sin catalizador, mediante epitaxia de haz molecular asistida por plasma (PA-MBE), de nanohilos monocristalinos de nitruro de galio (GaN) directamente sobre sílice fundida recubierta con óxido de indio y estaño (ITO). Al ajustar cuidadosamente la temperatura de crecimiento y la presión equivalente de haz (BEP), logramos nanohilos orientados verticalmente (0001) con defectos mínimos, evidenciados por la ausencia de luminiscencia amarilla en espectros de fotoluminiscencia (PL). La microscopía de fuerza atómica conductiva (C-AFM) confirma que nanohilos individuales dopados tipo n exhiben buena conductividad, subrayando el potencial de esta plataforma para dispositivos optoelectrónicos transparentes de próxima generación. El protocolo de crecimiento a baja temperatura preserva la integridad de la capa ITO subyacente mientras entrega material GaN de alta calidad.

Introducción

Los dispositivos comerciales de III-nitruros dependen predominantemente de sustratos de zafiro, que imponen límites en escalabilidad y costo. La sílice ofrece una alternativa más barata y estándar en la industria, pero su naturaleza aislante intrínseca exige una capa superpuesta transparente y conductora. El óxido de indio y estaño (ITO) cumple ambos criterios, pero técnicas convencionales de deposición a alta temperatura arriesgan degradar la película ITO. Enfoques previos a baja temperatura, como sputtering o deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD), a menudo producen GaN policristalino con abundantes defectos. Abordamos esta brecha empleando PA-MBE, que suministra nitrógeno reactivo mediante N₂ descargado por RF, permitiendo crecimiento a temperaturas que preservan el ITO. La alta relación superficie-volumen de los nanohilos mitiga la tensión por desajuste de red, conduciendo a estructuras monocristalinas y libres de defectos incluso sobre ITO policristalino.

Métodos

Deposición de película delgada de ITO

La película de ITO (≈100 nm) se depositó a temperatura ambiente usando sputtering de magnetrón RF: plasma de argón a 60 W, 2,5 mTorr y flujo de gas 25 sccm. Previo a la deposición, obleas de sílice se limpiaron en acetona e isopropanol. La capa ITO resultante exhibió resistencia superficial inferior a 10 Ω/□ tras recocido.

Crecimiento de nanohilos de III-nitruro

El crecimiento se realizó en un sistema Veeco Gen 930 PA-MBE. La sílice recubierta con ITO se recoció primero en un recocedor térmico rápido a 650 °C bajo Ar por 5 min para mejorar cristalinidad. Pasos posteriores de pre-limpieza involucraron horneados a 200 °C y 650 °C en la cámara de carga. Parámetros de crecimiento: BEP de Ga = 1×10⁻⁷ Torr, capa semilla a 500 °C, seguido de crecimiento de nanohilos a 700 °C. La baja temperatura del sustrato previene degradación del ITO mientras promueve alineación vertical de nanohilos.

Caracterización estructural, óptica y eléctrica

Topografía superficial y resistencia superficial de ITO se midieron con un Agilent 5500 SPM. Para C-AFM, un contacto de 5/5 nm Ni/Au se evaporó sobre los nanohilos y se recoció a 600 °C. Una punta AFM Pt/Ir se usó para sondear flujo de corriente bajo sesgo aplicado al ITO. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) y STEM de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) se realizaron en muestras transversales preparadas por FEI Helios Nanolab FIB. Mapas elementales se adquirieron por espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). La evaluación de polaridad empleó grabado con KOH 40 % a temperatura ambiente por 1 h. PL dependiente de temperatura se registró de 10 K a 290 K usando láser de 266 nm en criostato enfriado con helio. Transmitancia UV-Vis-NIR se midió con Shimadzu UV-3600, y difracción de rayos X (XRD) en un Bruker D2 Phaser.

Resultados y Discusión

La estabilidad térmica del ITO se confirmó: recocido hasta 700 °C produjo resistencia superficial <10 Ω/□ pero introdujo rugosidad superficial (Fig. 1a-d). Los nanohilos nuclearon directamente sobre el ITO rugoso, manteniendo orientación vertical (0001) con densidad de 9,3×10⁹ cm⁻² y factor de llenado del 73 % (Fig. 2b). El grabado con KOH reveló eliminación preferencial de la cara N-polar, confirmando N-polaridad (Fig. 2d). HAADF-STEM y barridos EELS (Fig. 3a-b) muestran interfaz nítida, con capa de transición ~4 nm que probablemente representa una delgada capa interfase GaN de fase mixta (Fig. 3d). TEM de alta resolución confirma monocristalinidad a lo largo del eje c (Fig. 3c).

Medidas PL (Fig. 4a) muestran emisión dominante de borde de banda con luminiscencia amarilla insignificante, indicando baja densidad de defectos. PL dependiente de temperatura (Fig. 4b) sigue comportamiento Varshni; análisis Arrhenius produce energía de activación de 195 meV, y la eficiencia cuántica interna (IQE) calculada a 10 K es ~67 % (Fig. 4c). Espectros de transmitancia (Fig. 4d) demuestran que los nanohilos de GaN dispersan luz visible, reduciendo transmitancia total comparado con ITO desnudo, sin embargo el sustrato permanece altamente transparente. Patrones XRD (Fig. 4e) revelan picos de ITO cristalino y reflexión GaN(0002), confirmando crecimiento vertical sobre ITO policristalino.

C-AFM de nanohilos dopados tipo n (Fig. 5a-c) muestra voltaje de encendido inicial alto debido a barrera Schottky en interfaz GaN/ITO. Un barrido posterior reduce esta barrera, produciendo flujo de corriente medible a través de los nanohilos (Fig. 5d). Este comportamiento, observado en múltiples nanohilos, sugiere la posibilidad de dispositivos eléctricamente robustos tras un paso inicial de polarización.

Conclusiones

Hemos crecido exitosamente nanohilos monocristalinos de GaN sobre sílice fundida recubierta con ITO usando PA-MBE a baja temperatura. Los nanohilos exhiben alineación vertical, alta calidad cristalina, N-polaridad y fuerte PL de borde de banda sin luminiscencia amarilla. Nanohilos conductivos dopados tipo n demuestran rendimiento eléctrico viable, posicionando esta plataforma como candidata prometedora para dispositivos optoelectrónicos transparentes de alto rendimiento.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

BEP:

Presión equivalente de haz

C-AFM:

Microscopía de fuerza atómica conductiva

EELS:

Espectroscopía de pérdida de energía de electrones

FIB:

Haz de iones enfocado

IQE:

Eficiencia cuántica interna

HAADF:

Campo oscuro anular de alto ángulo

HRTEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

ITO:

Óxido de indio y estaño

MOCVD:

Deposición química de vapor organometálica

PA-MBE:

Epitaxia de haz molecular asistida por plasma

PECVD:

Deposición química de vapor mejorada por plasma

PL:

Fotoluminiscencia

RF:

Radiofrecuencia

RTA:

Recocido térmico rápido

sccm:

Centímetro cúbico estándar por minuto

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

STEM:

Microscopía electrónica de transmisión de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

XRD:

Difracción de rayos X