用于高效量子电子的新型半导体纳米结构

时间：2022-03-11 16:25:06 来源：

所得纳米线的显微观察。观察到具有特征性的六边形星形结构，以及由Bi元素的存在引起的缺陷定义的量子结构。

纳米线是直径通常小于几百纳米的杆状结构。由于其尺寸和结构，它具有较大的散装材料所不具有的特性。III-V半导体纳米线的研究由于其一维性质和大的表面体积比而在纳米级量子，光子，电子和能量转换以及在生物装置中的潜在应用在近几十年来引起了人们的极大兴趣。。外延异质结构的引入促进了此类器件的传输和电子性能的控制，显示出实现基于III-V化合物和具有优异电子和光学功能的Si的集成系统的潜力。

III-V化合物半导体是现有的迁移率和光电子转换效率最高的半导体之一。其中，GaAs是具有代表性的III-V化合物半导体，可用于高速晶体管以及高效的近红外发光二极管，激光器和太阳能电池。基于III-V GaAs的光学器件会遭受与热量产生相关的固有损失。为了避免这种情况，近来使用具有无毒Bi元素的稀铋化物GaAsBi合金引起了人们的注意，因为Bi的引入抑制了热量的产生，同时提高了电子-光的转换效率。因此，将稀释的铋化物GaAsBi合金掺入纳米线是开发高性能光电纳米器件的合理方法。同时，分支或树状纳米线提供了一种增加结构复杂性并增强所得功能的方法，这反过来又使得能够实现更高尺寸的结构，横向连通性以及纳米线之间的互连。

爱媛大学研究小组使用一种称为分子束外延的原子精确晶体生长技术，控制了分支的GaAs / GaAsBi核-壳纳米线生长过程中Bi诱导的纳米结构的形成。因此，他们铺平了一条途径，利用催化剂液滴的特征过饱和，应变引起的结构修饰以及掺入与晶体缺陷和取向相关的主体GaAs基质，来获得未开发的III-V半导体纳米结构。

展示其结果的科学文章于2019年9月17日发表在《 Nano Letters》杂志上。

该小组先前已在Si上获得了GaAs / GaAsBi异质结构纳米线，其Bi浓度比以前的报告小2％。纳米线表现出特定的结构特征，具有粗糙的表面和波纹，这可能是由于较大的晶格失配以及在GaAs和GaAsBi合金之间产生的应变积累引起的。此外，Bi在控制表面能方面也起表面活性剂的作用，从而促进了纳米结构的合成。但是，Bi的引入对GaAsBi合金生长的影响远未得到全面了解。

在该报告中，他们研究了Si（111）衬底上GaAs / GaAsBi核壳多层NW的特征和生长机理，重点研究了Bi引起的结构变形。为了合成支化的III-V纳米线，通常将金属催化剂纳米颗粒（最常见的是Au）用作成核种子，以使分支生长。另一方面，该小组使用可以抑制非构成元素的杂质引入的自催化剂Ga和Bi液滴。当Ga在生长过程中不足时，Bi会积聚在核心GaAs纳米线的顶点上，并作为纳米线的生长催化剂，用于特定晶体方位的分支结构。Bi积累与堆垛层错之间有很强的相关性。此外，Bi优选在受限的GaAs表面取向上结合，导致空间选择性的Bi结合到Bi浓度超过基本极限的7％的受限区域中。所获得的GaAs / GaAsBi / GaAs异质结构的界面由一个原子层的结晶孪晶缺陷定义，可以潜在地应用于量子约束结构。

这一发现为基于GaAsBi的纳米结构的创建和Bi掺入量的控制提供了合理的设计理念。这些结果表明了用于有效的近红外器件和量子电子学的新型半导体纳米结构的潜力。

参考：“控制GaAs / GaAsBi核-壳纳米线中的双激发纳米结构形成”，松田辉义，高田恭平，矢野昌介、,久男，吉川幸平，下村聪，下水由美子，长岛一树，柳田武史和石河文丸，2019年9月17日，Nano Letters.DOI：
10.1021 / acs.nanolett.9b02932

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