Elektronentomografie van potloodvormige GaN/(In,Ga)N Core-Shell-nanodraden

Resultaten en discussie

Oppervlaktemorfologie en kristalfacetten

Figuur 3 a en b tonen de iso-oppervlakweergaven van een volledige NW en een NW-apex in perspectief (midden) en in verschillende aanzichten langs lage indexrichtingen in stappen van 30°. De figuur onthult respectievelijk de buitenste kristalvorm en oppervlaktefacettering. Het onderste deel van de reconstructie toont de verwachte zeshoekige cilinder van het NW, met regelmatige niet-polaire \( \left\{1\overline{1}00\right\} \) m -vlakke oppervlaktefacetten. De kristalfacetten en vlakken worden bepaald op basis van het corresponderende elektronendiffractiepatroon dat gelijktijdig met HAADF-beelden is genomen. Een voorbeeld van een dergelijk SAD-patroon wordt gegeven voor de − 90°-oriëntatie, d.w.z. langs de [\( 1\overline{1}00\Big] \) zone-as (zie Fig. 3b). De NW-top weerspiegelt een piramidale vorm bestaande uit \( \left\{1\overline{1}01\right\} \) s -vlak en \( \left\{1\overline{1}02\right\} \) r -vlakke facetten, die echter niet perfect symmetrisch ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd. Een zeer klein, driehoekig oppervlakfacet (gemarkeerd met groene pijlen in Fig. 3b) bevindt zich dicht bij de NW-punt, die hoogstwaarschijnlijk een \( \left\{2\overline{2}01\right\} \) voorstelt -type facet. Dergelijke lichte asymmetrieën in de piramidale puntvorm worden vaak gevonden op het monster (zie Fig. 1). De reden voor deze afwijking hangt samen met defectinteracties zoals besproken in de volgende paragraaf.

Isosurface-weergave van a een enkele NW en b een NW-apex met een perspectiefaanzicht in het midden en verschillende kijkhoeken langs lage indexrichtingen van GaN (ZA, zone-as). Bovendien, sommige voorbeeldige m -, s -, en r -vlakfacetten zijn gelabeld (groene pijlen geven een facet aan van het \( \left\{2\overline{2}01\right\} \) -type)

Boven de gelabelde r -vlak facet en het \( \left\{2\overline{2}01\right\} \) facet, een onregelmatige NW "hoed" wordt helemaal bovenaan gevormd. TEM-metingen met hoge resolutie (HR) op een lamel TEM-monster dat verschillende NW's van dezelfde wafer bevat, tonen de aanwezigheid van stapelfouten en de verandering van het kristalrooster van hexagonaal naar kubisch in het NW-topgebied (hier niet weergegeven). Deze structurele veranderingen zijn in overeenstemming met onze eerdere waarnemingen die worden verklaard door de instabiliteit van de kristalfase als gevolg van de aanzienlijk lagere groeitemperatuur die wordt gebruikt voor de groei van de GaN-buitenschil (ca. 625°C) in vergelijking met de GaN-kern (ca. .850 °C) [5, 7].

Interne (In,Ga)N Shell-structuur

Het tomogram van de NW is gebruikt om informatie te extraheren over de interne structuur van de (In,Ga)N-schaal, de chemische samenstelling en ruimtelijke verdeling. Een 3D isosurface-weergave van de schaalstructuur is niet gemakkelijk toegankelijk vanwege het lage voxelcontrast tussen (In,Ga)N-schaal en GaN-matrixmateriaal. Daarom wordt als alternatief de interne schaalstructuur gevisualiseerd door dunne plakjes te extraheren die uit het gereconstrueerde 3D-tomogram zijn gesneden.

Figuur 4 toont als voorbeeld vijf doorsneden door de NW-punt en langs de draadas [0001]. Elke plak heeft een dikte van ongeveer 7 nm. De oriëntatie van de plakjes is zo gekozen dat rekening wordt gehouden met de zeshoekige zesvoudige symmetrie. Daarom worden de plakjes 30 ° ten opzichte van elkaar gedraaid - in overeenstemming met de etikettering die is geïntroduceerd in figuur 3b. Om dit punt verder te illustreren, een 3D-gerenderde afbeelding van het NW samen met de ruimtelijke positie van de plak die − 60° gekanteld is (dwz de plak evenwijdig aan de \( \links(\overline{2}110\right) \ ) roostervlak) wordt bovendien gegeven in de figuur.

Dwarsdoorsnede plakjes door het tomogram. Een 3D-gerenderde weergave van het NW en een plak (linkerbovenhoek) specificeert de ruimtelijke positie van de -60° gekantelde plak. Alle plakken worden geroteerd rond een as die door de NW-punt steekt en die evenwijdig is aan de NW-groei-as. Een inversiedomein (ID) en de locatie van stapelfouten (SF) zijn gelabeld. De plakoriëntaties komen overeen met de aanduiding van Afb. 3. De lengte van de zwarte schaalbalk komt overeen met 50 nm

De gereconstrueerde voxels van (In,Ga)N hebben iets hogere intensiteiten in vergelijking met die van GaN. Bijgevolg wordt GaN, verwijzend naar de kleurcode van Fig. 4, in groen weergegeven, terwijl In-bevattende lagen ter verduidelijking roodachtig lijken. De dwarsdoorsneden tonen de kern-schaalstructuur van het NW. Vanwege de verlaging van de groeitemperatuur voor (In,Ga)N-overgroei, is het redelijk om aan te nemen dat de morfologie van de GaN-kern ongewijzigd blijft en de (In,Ga)N-groei op een conforme manier verloopt. Dus de (In,Ga)N-binnenschaal en de GaN-buitenschaal repliceren ruwweg de morfologie van de GaN NW-kern. In het bijzonder vormt de (In,Ga)N-laag een volledige m- vlak omhulsel rond de draad verandert in s - en r -vlakke gefacetteerde piramidale schelpen op de punt van het NW. De punt van de binnenschaal is geëxpandeerd en vormt een zogenaamde (In,Ga)N DIW-configuratie met de vorm van een omgekeerde afgeknotte piramide met zeshoekige basis bestaande uit c -vlakfacetten als boven- en ondergrenzen (zie volgende paragraaf).

Bovendien geeft Fig. 4 een overzicht van de verschillende (In,Ga)N laagdiktes. De m -plane shell is slechts 1 nm dik (in overeenstemming met HAADF STEM-microfoto's langs de \( \left\langle 11\overline{2}0\right\rangle \) richting, cf. aanvullend bestand 1:figuur S1) terwijl de is - en r -vlakke facetten hebben een dikte van 8 tot 14 nm. Dit dikteverschil is een gevolg van heterogene groeisnelheden [28, 29] van de verschillende facetten en het schaduweffect dat wordt veroorzaakt door de lage indiumdiffusie tijdens MBE-groei [30]. Verder zijn de indiumatomen niet homogeen verdeeld over de schilstructuur, omdat de indiumopnamesnelheid afhangt van de facetoriëntatie met de hoogste waarde in c -vlaklagen [31]. Bovendien lijkt het erop dat in sommige delen van de schaal de concentratie hoger is in de buurt van de grensvlakken. Er moet worden vermeld dat de m -plane shell is alleen slecht opgelost in de reconstructie. De rotatie-as van de radontransformatie werd gekozen om de NW-tip te penetreren om de beste tomografieresolutie in het centrum van het NW te bereiken volgens het Crowther-criterium.

De − 60°-georiënteerde plak toont een strook van hoge intensiteit met een breedte van 10 nm. Deze strook was ook zichtbaar als helder contrast in de HAADF-beelden van de tilt-serie. Donkerveld g₀₀₀₂ metingen wijzen op de aanwezigheid van inversiedomeingrenzen, wat in overeenstemming is met de waarneming van vergelijkbare structuren door Kong et al. [32]. Er is gevonden dat het inversiedomein werd geïnduceerd door een onbedoelde atomaire laag van titanium (maskerresten) die zich tussen het substraat en NW bevond. De elektronentomografie van dit inversiedomein onthult de vorm van een elliptische cilinder, zoals hieronder zal worden gedemonstreerd.

Naast de dwarsdoorsneden werden naast de dwarsdoorsneden ook een reeks bovenaanzichten door het tomogram loodrecht op de NW-as gemaakt om een ​​volledige 3D-verbeelding van de schaalstructuur te verkrijgen. Negen plakjes op verschillende hoogtes worden getoond in Fig. 5 samen met een afbeelding van de ruimtelijke positie van het eerste plakje, samen met een dwarsdoorsnede die de verschillende hoogteposities weergeeft. Alle sneden in bovenaanzicht hebben een breedte van 3,6 nm.

Bovenaanzicht snijdt door het tomogram. Een 3D-gerenderde weergave van de NW en een plak (linkerbovenhoek) specificeren de ruimtelijke positie van plak 1. Alle plakken staan ​​loodrecht op de richting [0001] en de verschillende plakposities zijn gelabeld in de dwarsdoorsnede (rechtsonder ). De plakjes hebben een breedte van 3,6 nm. De lengte van de witte schaalbalk komt overeen met 50 nm

De beschouwing van figuur 5 biedt twee nieuwe inzichten in de binnenste NW-structuur die niet experimenteel toegankelijk was zonder elektronentomografie. Ten eerste is direct duidelijk dat de NW-diameter en daarmee het bovenaanzicht van de schijf van onder naar boven afneemt, wat het gevolg is van de potloodachtige vorm van de NW. Het is echter opmerkelijk dat de zijwand dicht bij het elliptische cilinderachtige inversiedomein op zijn positie blijft en zijn afmeting langzamer verandert dan de andere zijwanden. Een vergelijking met de isosurface-weergave (zie Fig. 3) laat zien dat deze zijwand overeenkomt met de buitenste GaN-schaal met de zeer langgerekte m -vlak facet dat verandert in een driehoekig, \( \links\{2\overline{2}01\right\} \)-achtig facet (groene pijl in Fig. 3). Daarom kan worden geconcludeerd dat de aanwezigheid van het inversiedomein de algehele groeikinetiek beïnvloedt, wat resulteert in een vastzetten van de dichtstbijzijnde zijwand. Dientengevolge wordt het midden van de NW-tip verschoven naar het inversiedomein en moeten de tegenovergestelde facetten op lagere hoogten draaien vanaf m -vliegtuig naar s - en r -vlakke facetten om de verplaatste NW-tip te vormen.

Ten tweede is de (In,Ga)N-schaal niet altijd evenwijdig aan de m -, r -, of s -vlak gefacetteerde GaN zijwand. In het onderste deel van het NW reproduceert de (In,Ga)N-schaal één-op-één de vorm van de GaN-kern met m -vlakke facetten net als de GaN-buitenschil. Aan de andere kant, aan de piramidale punt van de NW, wijkt de binnenste (In,Ga)N-schaal af van de zeshoekige vorm van de GaN-buitenschaal. Plak 4 in Fig. 5 laat bijvoorbeeld zien dat het GaN-buitenfacet en de (In,Ga)N-schaal facetten hebben die 30 ° zijn geroteerd naar de verwachte oriëntatie op basis van symmetrieredenen. Deze facetten komen overeen met semi-polaire \( \left\{11\overline{2}l\right\} \) facetten. Wat betreft plak 1 en 2, keert de (In,Ga)N-schaal terug naar een zeshoekige vorm naar de punt toe, waarbij twee van de zes facetten slechts licht geprononceerd zijn. Deze afwijking van de zeshoekige vorm is onverwacht en kan alleen worden onthuld door elektronentomografie. Het is opmerkelijk dat de GaN-buitenschaal de vorm van de binnenste (In,Ga)N-schaal niet volledig repliceert, maar dat de NW-vorm verandert in de verwachte hexagonale symmetrie van een GaN NW.

Dot-in-a-Wire-structuur

Zoals eerder getoond in Fig. 4 en 5 is een insertie met verhoogd indiumgehalte gelokaliseerd aan de punt van de (In,Ga)N-schaal. Een meer gedetailleerd beeld van deze DIW-structuur is weergegeven in Fig. 6. De afbeelding toont vergrote versies van zowel het bovenaanzicht als de dwarsdoorsnede van de tomografische reconstructie. Bovendien toont het een isosurface-weergave van de 3D-vorm van de stip en de indiumverdeling gemeten door EDX. De EDX-analyse wordt uitgevoerd vanaf de top van een vergelijkbare NW van dezelfde wafer.

Vergroot a bovenaanzicht en b , c tomografische dwarsdoorsneden van Fig. 4 en 5 onthullen de morfologie van de dot-in-a-wire-structuur. d 3D iso-oppervlakteweergave van de (In,Ga)N-punt. De EDX-metingen op een vergelijkbare NW-tip worden gepresenteerd in de vorm van e een EDX-kaart met de ruimtelijke indiumverdeling en f een EDX-spectra geëxtraheerd uit de kaart in drie verschillende regio's:(I) in de (In,Ga)N-stip, (II) in de (In,Ga)N-schaal en (III) in de GaN-buitenschaal

De drie plakjes in Fig. 6a-c onthullen de vorm en afmetingen van de stip. Gebaseerd op het bovenaanzicht in (a), geeft de stip bijna de geometrie van een parallellogram weer in plaats van een zeshoek met twee minder uitgesproken zijwanden. De lengtes van de twee grotere paren zijwanden zijn respectievelijk 32 nm en 24 nm. De hoogte van de stip - zoals gegeven door de twee dwarsdoorsneden in (b) en (c) - is ongeveer 14 nm. Bovendien onthullen de dwarsdoorsnedeschijven een laterale verbreding van de stip naar de top toe die gepaard gaat met een vorming van r - en s -vlakke zijfacetten waarbij de onder- en bovenkant c . vormen -vlakke facetten. Daarbij lijkt de stipstructuur op een omgekeerde afgeknotte piramide met een vervormde zeshoekige basis. Deze 3D-vorm van de nanodot wordt verder geïllustreerd door de isosurface-weergave in figuur 6d, die de facetvorm van de stip bevestigt en bovendien aantoont dat de lagere c -vlak facet vertoont een hogere ruwheid.

Figuur 6e en f tonen het resultaat van de EDX-meting door middel van een indiumkaart in combinatie met spectra genomen van posities binnen de (In,Ga)N-punt (I) en schil (II), evenals in de GaN-buitenschil (III). Geen intensiteit van de In-Lα ₁ lijn wordt gedetecteerd in het GaN-gebied (III). Aan de andere kant is er een enorm verschil in lijnintensiteit tussen schil en punt, wat het enorme verschil in indiumconcentratie bevestigt [7]. Het indiumgehalte van de stip wordt ruwweg geschat op (24 ± 6)% (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2 voor meer details). De EDX-kaart maakt daarom een ​​duidelijke ruimtelijke scheiding mogelijk tussen de (In,Ga)N-schaal en de punt die tegelijkertijd zijn gefacetteerde vorm bewijst. Bovendien toont de EDX-kaart aan dat de voxels van hoge intensiteit in het tomogram zeer dicht bij de NW-tip niet voortkomen uit indiumopname. Deze toename in intensiteit kan worden toegeschreven aan HAADF-contrast als gevolg van stapelfouten in het verstoorde "hoed" -gebied [25]. Bovendien heeft de punt een veel kleinere dikte in vergelijking met de andere delen van het NW, wat leidt tot een overwaardering van de massadichtheid van het puntgebied [26].

De 3D-weergave van het iso-oppervlak van de (In,Ga)N-punt onthult een significante chemische ruwheid van het onderste grensvlak in vergelijking met de gladde c -vlakinterface bovenaan (zie Fig. 6d). De oorsprong van deze ruwheid kan worden gekoppeld aan het nucleatiemechanisme van (In,Ga)N op de veelzijdige top van de GaN NW-kern. Terwijl de (In,Ga)N-groei op m -, r -, en s -vlakken komen voor in een 2D-modus vanwege de kleine indiumconcentratie, het veel hogere indiumgehalte (In,Ga)N op c -vlak resulteert in de groei van gespannen 3D-kernen. Deze kernen genereren spanning op de omgeving die de interface zal vervormen en uiteindelijk zal leiden tot de gemeten ruwheid.