自催化 MOCVD 生长 InGaAs/InP 核壳纳米线：卓越的光致发光与应变控制生长

摘要

我们展示了在 Si-(111) 衬底上通过自催化金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 生长 InGaAs/InP 核壳纳米线，并进行了详细的光学与结构分析。InGaAs 核与 InP 壳之间巨大的晶格失配在界面引入显著应变，驱动壳层不对称生长并导致纳米线弯曲。透射电镜 (TEM) 证实 InP 壳与 InGaAs 核保持相干，无错位位错。77 K 光致发光 (PL) 测量显示，核壳结构的峰值强度比裸 InGaAs 纳米线增强约 100 倍，归因于 InP 层对表面态的有效钝化和载流子限域。这些发现深化了对应变核壳纳米线的理解，指明其在 Si 基光电器件中的应用潜力。

背景

III-V 族半导体纳米线凭借独特的电子、光学和几何性质，成为下一代纳米电子学与光子学的关键组件。InGaAs 纳米线具有可调直接带隙、低有效质量和高载流子迁移率，适合光子与光电应用。将这些材料集成到 Si 平台上极具吸引力，可结合 III-V 优异物理特性与成熟 CMOS 技术，纳米线几何结构可缓解晶格失配挑战。

然而，纳米线的高比表面积引入大量表面态，通过散射和非辐射复合降低电子与光学性能。对于窄带隙 III-V 材料，表面态诱导的带隙弯曲会重新分布载流子，损害器件工作。表面钝化因此至关重要。InGaAs/InP 核壳结构是理想选择：I 型带隙排列将载流子限域在 InGaAs 核中，InP 壳的发射波长可调至 1.31–1.55 µm，适配光纤通信。

本研究利用 MOCVD 在 Si-(111) 上生长并表征 InGaAs/InP 核壳纳米线。我们表明晶格失配诱导的应变主导壳层生长，导致不对称覆盖和纳米线弯曲。通过优化生长参数，获得高质量核壳纳米线，PL 强度提升 100 倍，归因于有效抑制表面态和载流子限域。

方法/实验

纳米线生长

纳米线在密耦合淋浴头 MOCVD 反应器 (AIXTRON, 德国) 中制备，压力 133 mbar。三甲基铟 (TMIn) 和三甲基镓 (TMGa) 作为 III 族前驱体，砷化氢 (AsH₃) 和磷化氢 (PH₃) 提供 V 族元素。高纯氢气 (H₂) 流量 12 slm。Si-(111) 衬底先在 635 °C 退火，再在 AsH₃ 气氛中冷却至 400 °C 形成 (111)B 型表面。InGaAs 核在 565 °C 生长 15 分钟，TMIn 和 AsH₃ 流量分别为 0.8×10⁻⁶ 和 1.0×10⁻⁴ mol min⁻¹；TMGa 流量调节以改变 In/Ga 比 (Xv = 30–40%)。InP 壳在 565 °C 沉积 10 分钟，TMIn 2×10⁻⁶ mol min⁻¹，PH₃ 8.0×10⁻⁴ mol min⁻¹。样品在 PH₃ 氛围中冷却至室温以防氧化。

表征方法

纳米线形貌用扫描电镜 (SEM, Nova Nano SEM 650) 和透射电镜 (TEM, JEM2010F, 200 kV) 观察。能量色散谱 (EDS) 进行成分映射。TEM 样品通过机械转移至碳膜铜网制备。光致发光 (PL) 使用 532 nm 激光 (~100 mW, 150 µm 光斑) 和傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪配液氮冷却 InSb 探测器测量，FTIR 反射镜采用快速扫描模式。

结果与讨论

图 1 展示 InGaAs/InP 核壳纳米线在 Si-(111) 上的生长序列。InGaAs 纳米线通过自催化机制成核；In 液滴在 AsH₃ 下被消耗，随后切换 AsH₃ 为 PH₃ 并引入 TMIn 触发 InP 外延生长。

SEM 图像 (图 2) 显示裸 InGaAs 纳米线垂直排列、直径均匀。沉积 InP 壳后，纳米线保持光滑侧面，表明生长参数优化成功。平均直径从约 65 nm (裸核) 增至约 95 nm (核壳)，意味着约 15 nm InP 壳厚。Xv=30% 时因晶格失配应变导致纳米线弯曲；Xv 增至 35% 减少弯曲，Xv=40% 时纳米线变直，与晶格失配减小和核直径增加一致。

TEM 和 EDS 证实 InP 壳与核相干，无错位位错 (图 3)。InP 通过外延生长继承 InGaAs 核的混合纤锌矿/闪锌矿晶体结构。EDS 线扫描 (图 4) 显示 Xv=30% 时 InP 壳初始不对称，随 Ga 含量增加变为对称，与弯曲减少相关。

光致发光谱 (图 5) 显示核壳纳米线 PL 强度惊人地提升 100 倍，发射峰从 ~0.73 eV (裸核) 蓝移至 ~0.78 eV (核壳)。蓝移 (~50 meV) 归因于应变诱导的带隙拓宽和表面态相关发射的消除。核壳结构还表现出更窄的半峰全宽 (FWHM)，表明非辐射复合通道减少。

温度依赖 PL (图 6) 显示核壳发射至室温仍保持强烈，峰值波长跨度 1.49–1.68 µm，恰适电信波段。预期的随温度红移在 60 K 以下被部分抑制，可能因结构缺陷中的载流子捕获，这在纳米线集合中常见。

结论

我们证明了在 Si-(111) 上自催化 MOCVD 生长的 InGaAs/InP 核壳纳米线具有相干界面、极低缺陷密度和卓越光致发光性能。核壳界面应变决定壳层形貌，但适当掺 Ga 可缓解弯曲。InP 壳有效钝化表面态并限域载流子，实现 ~100 倍 PL 增强并实现电信波段室温发射。这些见解为基于 InGaAs 纳米线的高性能、Si 兼容光电器件奠定基础。

缩略语

BF

明场

CMOS

互补金属氧化物半导体

EDS

能量色散谱

FTIR

傅里叶变换红外

FWHM

半峰全宽

LED

发光二极管

MOCVD

金属有机化学气相沉积

PL

光致发光

SAED

选区电子衍射

SEM

扫描电子显微镜

TEM

透射电子显微镜

TMGa

三甲基镓

TMIn

三甲基铟

ZB

闪锌矿