La superficie di isoconcentrazione calcolata mostra che gli strati di indio non sono piatti, ma si formano come gusci conici cavi in cima al GaN durante l'epitassia del fascio molecolare.
(Phys.org) — I nanofili semiconduttori (NW) sono incredibilmente piccoli:i NW di un recente lotto realizzato dagli scienziati della divisione elettronica e fotonica quantistica di PML misurano circa 200 nanometri di diametro (meno di 1/500 dello spessore di un capello umano) e da 6 a 10 micrometri di lunghezza, con strati incorporati sottili fino a 3,3 nm. Ma nonostante le loro dimensioni, i semiconduttori NW sono pronti a svolgere un ruolo molto importante nell'illuminazione a stato solido, sensori chimici, e sonde scientifiche su nanoscala.
Primo, però, i ricercatori dovranno determinare come fabbricare diodi emettitori di luce NW (LED) ad alta efficienza che siano affidabili in modo uniforme nella composizione e nella morfologia, ciascuno con lo stesso spettro di emissione ottica e altre proprietà critiche. E quello, a sua volta, richiederà una comprensione dettagliata di come ottenere il posizionamento e la localizzazione ottimali di diverse specie atomiche man mano che si formano il filo e i suoi vari strati.
Ora Norman Sanford e i colleghi dell'Optoelectronic Manufacturing Group, con i collaboratori della Colorado School of Mines, hanno compiuto importanti progressi verso tale obiettivo in un nuovo studio. Hanno usato il metodo dell'epitassia a fascio molecolare (MBE) caratteristico del gruppo per coltivare nanofili di GaN con strati sottili di InGaN incorporati a intervalli. Per utilizzare un tale NW come fonte di luce, viene applicata una tensione al filo, e le sezioni InGaN formano pozzi quantici che intrappolano coppie elettrone-lacuna che si ricombinano per produrre luminescenza.
"Il pozzo quantico rende questo processo di ricombinazione-luminescenza molto più efficiente che se avessi solo un semplice, giunzione improvvisa p-n in GaN, " dice Sanford. "Tuttavia, per essere una fonte efficiente di luminescenza all'interno di una banda di lunghezze d'onda ristretta, il pozzo quantico deve rimanere compatto e uniforme. Se l'indio si diffonde nelle regioni circostanti, il pozzo si allarga, e non funzionerà in modo efficiente. Differenti porzioni spaziali con differenti concentrazioni di indio avranno bandgap differenti e quindi tenderanno ad emettere luce a differenti lunghezze d'onda. Volevamo indagare quali fattori influiscono sul fatto che un pozzo rimanga localizzato o si disperda man mano che la struttura cresce".
Schema di un nanofilo con più strati di InGaN incorporati durante il processo di crescita.
Le condizioni di crescita ottimali per i segmenti GaN e InGaN separati possono essere diverse. Quindi i ricercatori hanno fabbricato diversi NW su una gamma di temperature e proprietà del raggio molecolare, e poi ha esaminato l'effetto che quelle condizioni avevano sui pozzi. Fare così, hanno usato una versione di una tecnica chiamata tomografia a sonda atomica assistita da laser (L-APT). In una camera ad altissimo vuoto a circa 54 K, un'alta tensione costante viene applicata a un NW. Allo stesso tempo, l'energia di un laser ultravioletto pulsato è diretta alla punta estrema del filo. Gli atomi sulla punta ionizzano, sono tirati dalla punta sotto l'alto campo elettrico, e raggiungere un rivelatore di ioni bidimensionale a circa 90 mm di distanza.
Il rivelatore registra la posizione di ogni ione in arrivo; quindi utilizzando gli impulsi laser come segnali di temporizzazione, i ricercatori possono determinare il tempo di volo di ogni ione e quindi il suo rapporto tra carica e massa. Gli eventi di impatto ionico sul rivelatore vengono mappati alla loro origine dalla punta del campione, ei dati accumulati vengono utilizzati per costruire un'immagine tridimensionale della composizione chimica di ciascuna parte del filo.
Il gruppo ha scoperto che le condizioni di formazione del filo hanno avuto un effetto molto significativo sulla localizzazione degli strati di InGaN. "È possibile indurre la diffusione e la dispersione degli strati di InGaN se le condizioni di crescita dei successivi strati di GaN non sono regolate correttamente per garantire che le regioni di InGaN rimangano intatte, Sanford dice. "In alcuni casi troviamo che il consolidamento degli strati di InGaN può essere distrutto durante la successiva crescita di un segmento di GaN, anche senza evidenti segni esteriori di ciò rivelati nei nanofili. Inoltre, i pozzi quantici di InGaN che rimangono localizzati hanno la forma di sottili gusci di InGaN conici incorporati nei nanofili di GaN (e assialmente concentrici con essi) piuttosto che strutture piatte simili a dischi.
"L-APT è particolarmente adatto per mostrare un rendering 3D dei pozzi quantici di InGaN e la distribuzione dell'indio in tutto il dispositivo a nanofili. Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che L-APT è stato utilizzato per esaminare l'impatto delle variazioni del processo di crescita nello studio di queste strutture." I risultati erano in buon accordo con le misurazioni NW effettuate con un'altra tecnica di rivelazione della composizione, microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione.
Gli scienziati hanno anche scoperto che variando alcuni parametri di L-APT, come l'energia dell'impulso laser, può causare misurazioni spurie del rapporto apparente di gallio e indio rispetto all'azoto, indicando una sovrabbondanza apparente (ma non fisica) dei costituenti metallici rispetto all'azoto. Questo fenomeno, i ricercatori ipotizzano, può derivare da energie di impulsi laser elevate che causano il desorbimento di atomi di azoto neutri da NW. Quegli atomi non verrebbero contati dal rivelatore di ioni.
A sinistra:l'immagine colorata mostra la sonda manipolatrice utilizzata per posizionare un nanofilo (blu) in un foro praticato nel palo di montaggio (verde). A destra:il nanofilo viene saldato in posizione con platino e il braccio manipolatore viene rimosso.
Non sorprendentemente, è insolitamente difficile manipolare singoli nanofili di queste dimensioni. Per l'analisi L-APT, una sonda manipolatore di tungsteno è stata "saldata" con platino a un singolo filo. Quindi il filo è stato posizionato in un foro praticato nel perno del campione e saldato. Infine, la sonda del manipolatore è stata staccata, lasciando il NW in posizione verticale sul palo e pronto per l'analisi L-APT.
"Probabilmente la sfida più grande è trovare uno schema di montaggio affidabile in modo che i campioni sopravvivano all'intero processo di analisi L-APT senza rotture catastrofiche, " Sanford dice. "Ci sono voluti dozzine di tentativi di montaggio del campione per ottenere i risultati presentati. Il problema sorge poiché l'intensità del campo elettrico sulla punta del campione durante il funzionamento è dell'ordine di 10 V/nm. Questo è un campo elettrico piuttosto alto, ma deve essere così alto per strappare ioni e gruppi di ioni direttamente dalla punta del campione per la successiva analisi spettrale di massa a tempo di volo. Stiamo ancora lavorando per migliorare lo schema di montaggio del campione per renderlo più affidabile e sostenibile".
Ma per ora, "anche con la probabile ambiguità nella mappatura della concentrazione 3D assoluta dell'azoto, " dice il collega di Sanford Kris Bertness, leader del progetto Semiconductor Metrology for Energy Conversion, "è chiaro che la mappatura 3D di gallio e indio risolta da L-APT ha, per la prima volta, ha fornito informazioni essenziali per aiutare a guidare il processo di crescita di queste importanti eterostrutture su nanoscala GaN/InGaN."
