La superficie de isoconcentración calculada muestra que las capas de indio no son planas, pero se forman como conchas cónicas huecas sobre el GaN durante la epitaxia del haz molecular.
(Phys.org) —Los nanocables semiconductores (NW) son extremadamente pequeños:los NW de un lote reciente fabricado por científicos de la División de Electrónica Cuántica y Fotónica de PML miden alrededor de 200 nanómetros de diámetro (menos de 1/500 del grosor de un cabello humano) y 6 a 10 micrómetros de largo, con capas incrustadas tan delgadas como 3.3 nm. Pero a pesar de su tamaño, Los semiconductores NW están preparados para desempeñar un papel muy importante en la iluminación de estado sólido, sensores químicos, y sondas científicas a nanoescala.
Primero, sin embargo, Los investigadores deberán determinar cómo fabricar diodos emisores de luz (LED) NW de alta eficiencia que sean uniformemente uniformes en cuanto a composición y morfología. cada uno con el mismo espectro de emisión óptica y otras propiedades críticas. Y eso, Sucesivamente, Requerirá una comprensión detallada de cómo lograr la ubicación óptima y la localización de diferentes especies atómicas a medida que se forman el alambre y sus diversas capas.
Ahora Norman Sanford y sus colegas del Grupo de Fabricación Optoelectrónica, con colaboradores de la Escuela de Minas de Colorado, han hecho un gran progreso hacia ese objetivo en un nuevo estudio. Utilizaron el método de epitaxia de haz molecular (MBE) característico del grupo para hacer crecer nanocables de GaN con capas delgadas de InGaN incrustadas a intervalos. Para utilizar un NW como fuente de luz, se aplica un voltaje al cable, y las secciones de InGaN forman pozos cuánticos que atrapan pares de agujeros de electrones que se recombinan para producir luminiscencia.
"El pozo cuántico hace que este proceso de recombinación-luminiscencia sea mucho más eficiente que si tuvieras un simple, unión p-n abrupta en GaN, "Dice Sanford". Sin embargo, para ser una fuente eficiente de luminiscencia dentro de una banda de longitud de onda estrecha, el pozo cuántico debe permanecer compacto y uniforme. Si el indio se difunde en las regiones circundantes, el pozo se esparce, y no funcionará de manera eficiente. Diferentes porciones espaciales con diferentes concentraciones de indio tendrán diferentes bandas prohibidas y, por lo tanto, tenderán a emitir luz en diferentes longitudes de onda. Queríamos investigar qué factores afectan si un pozo permanece localizado o se dispersa a medida que crece la estructura ".
Diagrama de un nanoalambre con múltiples capas de InGaN incrustadas durante el proceso de crecimiento.
Las condiciones óptimas de crecimiento para los segmentos separados de GaN e InGaN pueden ser diferentes. Entonces, los investigadores fabricaron diferentes NW en un rango de temperaturas y propiedades de haces moleculares, y luego examinó el efecto que esas condiciones tenían en los pozos. Para hacerlo utilizaron una versión de una técnica llamada tomografía con sonda atómica asistida por láser (L-APT). En una cámara de vacío ultra alto a aproximadamente 54 K, se aplica un voltaje alto constante a un NW. Al mismo tiempo, la energía de un láser ultravioleta pulsado se dirige a la punta extrema del cable. Los átomos en la punta se ionizan, se extraen de la punta debajo del campo eléctrico alto, y viajar a un detector de iones bidimensional a unos 90 mm de distancia.
El detector registra la ubicación de cada ión que llega; luego, utilizando los pulsos láser como señales de tiempo, los investigadores pueden determinar el tiempo de vuelo de cada ion y, por lo tanto, su relación carga-masa. Los eventos de impacto de iones en el detector se asignan a su origen desde la punta de la muestra, y los datos acumulados se utilizan para construir una imagen tridimensional de la composición química de cada parte del alambre.
El grupo descubrió que las condiciones de formación del alambre tenían un efecto muy significativo en la localización de las capas de InGaN. "Es posible inducir la difusión y dispersión de las capas de InGaN si las condiciones de crecimiento de las capas posteriores de GaN no se ajustan correctamente para garantizar que las regiones de InGaN permanezcan intactas, ", Dice Sanford." En algunos casos, encontramos que la consolidación de las capas de InGaN puede destruirse durante el crecimiento posterior de un segmento de GaN, incluso sin que se revelen signos externos obvios de esto en los nanocables. Es más, Los pozos cuánticos de InGaN que permanecen localizados tienen la forma de delgadas capas cónicas de InGaN incrustadas en los nanocables de GaN (y axialmente concéntricos con ellos) en lugar de estructuras planas en forma de disco.
"L-APT es particularmente adecuado para mostrar una representación 3D de los pozos cuánticos de InGaN y la distribución de indio en todo el dispositivo de nanocables. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se ha utilizado L-APT para examinar el impacto de las variaciones del proceso de crecimiento en el estudio de estas estructuras. "Los resultados concordaron bien con las mediciones de NW realizadas por otra técnica reveladora de la composición, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución.
Los científicos también encontraron que al variar ciertos parámetros de L-APT, como la energía del pulso láser, puede causar mediciones falsas de la relación aparente de galio e indio con respecto al nitrógeno, lo que indica una sobreabundancia aparente (pero no física) de los componentes metálicos en comparación con el nitrógeno. Este fenómeno, los investigadores especulan, puede resultar de altas energías de pulso láser que provocan la desorción de átomos de nitrógeno neutro del NO. Esos átomos no serían contados por el detector de iones.
Izquierda:la imagen coloreada muestra la sonda del manipulador utilizada para colocar un nanoalambre (azul) en un orificio perforado en el poste de montaje (verde). Derecha:El nanoalambre se suelda en su lugar con platino y se retira el brazo manipulador.
No es sorprendente, Es poco común manipular nanocables individuales de estas dimensiones. Para el análisis L-APT, una sonda manipuladora de tungsteno fue "soldada" con platino a un solo cable. Luego, el cable se colocó en un orificio perforado en el poste de muestra y se soldó. Finalmente, la sonda del manipulador se rompió, dejando el NW de pie verticalmente en el poste y listo para el análisis L-APT.
"Probablemente el mayor desafío sea crear un esquema de montaje confiable para que las muestras sobrevivan a todo el proceso de análisis L-APT sin fracturarse catastróficamente, "Dice Sanford." Se requirieron decenas de intentos de montaje de muestras para lograr los resultados presentados. El problema surge porque la intensidad del campo eléctrico en la punta de la muestra durante el funcionamiento es del orden de 10 V / nm. Ese es un campo eléctrico bastante alto pero tiene que ser así de alto para arrancar iones y grupos de iones directamente de la punta de la muestra para el análisis espectral de masas de tiempo de vuelo posterior. Todavía estamos trabajando para mejorar el esquema de montaje de la muestra para que sea más confiable y duradero ".
Pero por ahora, "incluso con la probable ambigüedad en el mapeo absoluto de concentración 3D de nitrógeno, "dice el colega de Sanford, Kris Bertness, líder del proyecto de Metrología de Semiconductores para la Conversión de Energía, "está claro que el mapeo 3D de galio e indio resuelto por L-APT tiene, por primera vez, proporcionó información esencial para ayudar a guiar el proceso de crecimiento de estas importantes heteroestructuras de nanoescala de GaN / InGaN ".
