Dopaje con Teluro Mejora Morfología, Estructura Cristalina y Conductividad de Nanohilos de InAs Libres de Catalizador sobre Silicio

Resumen

Reportamos el crecimiento de nanohilos de InAs dopados con Te libres de catalizador por epitaxia de haz molecular en sustratos de silicio (111). La morfología de los hilos —longitud menor y diámetro mayor— cambia progresivamente con mayor concentración de Te. Microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos X muestran un aumento en la relación de segmentos zinc-blenda/(wurtzita + zinc-blenda) cuando se introduce Te durante el crecimiento. Medidas eléctricas de dos puntos confirman que niveles más altos de Te producen un aumento marcado en conductividad. Se examinaron dos series de crecimiento comparables, diferenciándose solo en presión parcial de arsénico por ~1 × 10⁻⁵ Torr manteniendo todos los demás parámetros constantes, para varios niveles de dopaje Te. Su comparación indica que la estructura cristalina se ve fuertemente afectada y la ganancia de conductividad es más pronunciada para hilos crecidos a presión parcial de arsénico comparativamente más alta.

Antecedentes

Los nanohilos (NWs) son cada vez más considerados como bloques constructivos versátiles para tecnologías emergentes, desde transistores de efecto de campo y fotodetectores hasta celdas solares. Sus propiedades excepcionales —alta relación de aspecto, disipación de potencia ultra-baja, y para InAs, la ausencia de barrera de Schottky en interfaces metálicas— los hacen atractivos para aplicaciones electrónicas y de información cuántica. Los NWs de InAs exhiben alta movilidad electrónica, masa efectiva baja, factor g grande y fuerte acoplamiento espín-órbita Rashba.

Los NWs de InAs convencionales se crecen vía ruta vapor-líquido-sólido (VLS) usando gotas de oro como catalizadores. El oro introduce impurezas no intencionales e dificulta la integración basada en silicio. Para superar estas limitaciones, empleamos un método vapor-sólido (VS) libre de catalizador. En este modo, tanto la fase cúbica zinc-blenda (ZB) como hexagonal wurtzita (WZ) pueden coexistir, con politipismo y defectos como gemelos rotacionales y fallas de apilamiento que afectan adversamente propiedades de transporte y ópticas.

El dopaje ofrece una vía para mejorar el transporte de carga, pero las estrategias tradicionales de dopaje III-V no son directamente transferibles a NWs debido a sus facetas de crecimiento anisotrópicas y reconstrucciones de superficie dependientes de fase. Mientras el silicio es un dopante tipo n común, exhibe comportamiento anfótero que puede ser problemático en NWs. El teluro, un elemento grupo-VI, es un dopante tipo n eficiente con baja energía de ionización, difusión mínima y sin actividad anfótera. El Te ha probado ser un dopante robusto en NWs tanto catalizados por Au como auto-catalizados, influyendo en morfología y estructura cristalina.

En este estudio, investigamos sistemáticamente el dopaje Te en NWs de InAs libres de catalizador, enfocándonos en cambios morfológicos, evolución de fase y rendimiento eléctrico. Microscopía electrónica de barrido (SEM), TEM de alta resolución (HR-TEM), XRD y medidas eléctricas de dos puntos revelan una tendencia consistente: la incorporación de Te aumenta la relación de segmentos ZB y mejora la conductividad.

Métodos/Experimental

Los NWs de InAs se crecieron en modo VS sin catalizador extranjero en sustratos n-Si(111).

Preparación de Sustrato

Los sustratos se limpiaron con HF y agua DI, luego se trataron con peróxido de hidrógeno por 45 s para formar una capa de SiO₂ de pocos angstroms conteniendo poros que actúan como centros de nucleación. Tras la oxidación, las muestras se transfirieron a un lock-load, calentadas a 200 °C por 45 min, y desgasificadas a 400 °C por otros 45 min.

Crecimiento de Nanohilos de InAs

El crecimiento se realizó a 475 °C por 1 h 20 min en una cámara MBE Omicron Pro 100. Se usó una tasa de crecimiento de 0.1 µm h⁻¹. El arsénico se suministró vía celda cracker As, con presiones equivalentes de haz (BEP) As₄ de 2.3 × 10⁻⁵ Torr (serie B) y 3.3 × 10⁻⁵ Torr (serie A). El teluro se introdujo a través de una fuente GaTe; la temperatura de la celda de efluvio varió de 401 °C a 562 °C, correspondiente a concentraciones de portadores de 1 × 10¹⁵ cm⁻³ a 6 × 10¹⁹ cm⁻³ en capas de calibración GaAs.

Procesamiento de Dispositivos

Para contactos de dos puntos, los NWs se transfirieron mecánicamente a un sustrato Si pre-patronado con 200 nm SiO₂. Tras centrifugado de una pila de resist PMMA de tres capas, litografía de haz de electrones definió la geometría de contacto. El área de contacto se pasivó con polisulfuro de amonio diluido 3.5% a 60 °C por 30 min. Electrodos de 100 nm Ti y 40 nm Au se depositaron por evaporación de haz de electrones.

La lista completa de muestras examinadas por SEM, TEM, XRD y medidas eléctricas se proporciona en Tabla 1. Las letras A, B y C denotan series crecidas a diferentes presiones parciales As; una temperatura GaTe de 0 °C indica obturador cerrado.

Resultados y Discusión

Morfología

Imágenes SEM muestran que el dopaje Te reduce la longitud del hilo y aumenta el diámetro. La Figura 1a muestra serie A (As-BEP ≈ 3.3 × 10⁻⁵ Torr) y Figura 1b muestra serie B (As-BEP ≈ 2.3 × 10⁻⁵ Torr). Hasta temperatura de celda GaTe de 500 °C, no emerge tendencia clara, pero a 561 °C el suministro de Te aumenta bruscamente el diámetro y acorta los hilos. La serie B exhibe reducción de longitud más pronunciada a 401 °C, sugiriendo que menor presión As amplifica el impacto de Te en morfología.

El gran radio covalente del Te probablemente actúa como surfactante, reduciendo la difusividad de adátomos de indio y favoreciendo crecimiento radial sobre axial. El aumento de presión As parece mitigar este efecto, ofreciendo una ruta para controlar cambios morfológicos.

Estructura Cristalina

Usando HR-TEM y XRD, cuantificamos la relación de segmentos ZB/(WZ + ZB). Una secuencia de apilamiento de cuatro bicapas define un segmento ZB (…ABCA…) o WZ (…ABAB…). Segmentos carentes de una secuencia completa de cuatro bicapas se clasificaron como fallas de apilamiento o gemelos.

La Figura 3 muestra que la relación ZB/(WZ + ZB) aumenta con temperaturas más altas de celda GaTe en ambas series. A 447 °C, la relación aumenta principalmente por mayor número de segmentos ZB, mientras que a 500 °C los segmentos WZ disminuyen y las fallas de apilamiento aumentan ligeramente. En general, la incorporación de Te promueve formación ZB, tendencia más evidente a mayores presiones parciales As (serie A).

Los φ-barridos XRD confirman este comportamiento. Los reflejos ZB (220) y WZ (10 1 1) se aislaron, y la relación de intensidad I_ZB/(I_ZB + I_WZ) graficada en Figura 5b aumenta con dopaje Te, especialmente para serie A. La respuesta más débil en serie B subraya el papel de As en facilitar la incorporación de Te.

Medidas Eléctricas

Las curvas I-V de dos puntos muestran comportamiento óhmico consistente con capas de acumulación superficial de InAs. La conductividad σ = A R L⁻¹ w se calculó usando la fórmula de sección transversal hexagonal A = 3√3 d_NW²/8, donde d_NW y L_w se midieron por SEM.

La Figura 6e ilustra que la conductividad aumenta aproximadamente un orden de magnitud al mayor dopaje Te (celda GaTe 500 °C), alcanzando ≈ 80 S cm⁻¹ versus ≈ 8 S cm⁻¹ para hilos no dopados. La ganancia de conductividad más fuerte en serie A correlaciona con su mayor relación ZB/(WZ + ZB). Mientras la mejora de fase cristalina sola puede mejorar conductividad en ~50%, el aumento de diez veces observado aquí también refleja la densidad de portadores elevada de donadores Te.

La variabilidad en conductividad surge de pasivación de contacto heterogénea, oxidación superficial y posible inhomogeneidad axial de incorporación Te. Estudios adicionales, como pasivación in-situ Al₂O₃, son necesarios para reducir esta dispersión.

Conclusión

Crecimos exitosamente nanohilos de InAs dopados con Te libres de catalizador en Si(111) vía crecimiento VS, demostrando que Te modula morfología, fase cristalina y rendimiento eléctrico. Te aumenta la relación ZB/(WZ + ZB) e incrementa la conductividad en un orden de magnitud, particularmente a mayores presiones parciales de arsénico. Estos hallazgos expanden estrategias de dopaje para NWs III-V, proporcionando una vía para mitigar degradación de transporte inducida por defectos.