等离子体辅助MBE在ITO包覆熔融石英上直接无催化剂生长高质量GaN纳米线

摘要

本文演示了在氧化铟锡（ITO）包覆熔融石英上，利用等离子体辅助分子束外延（PA-MBE）直接无催化剂生长单晶氮化镓（GaN）纳米线。通过精细调控生长温度和束等效压力（BEP），获得垂直取向（0001）且缺陷极少的纳米线，光致发光（PL）谱中无黄光发射即为证。导电原子力显微镜（C-AFM）证实单根n型掺杂纳米线导电性良好，彰显该平台用于下一代透明光电器件的潜力。低温生长工艺在保护底层ITO完整性的同时，实现了高质量GaN材料制备。

引言

商用III-族氮化物器件主要依赖蓝宝石衬底，限制了规模化与成本。石英更廉价且广泛应用，但其绝缘性要求透明导电覆盖层。ITO兼具透明导电，但常规高温沉积易损伤ITO膜。溅射或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等低温法常得多晶GaN且缺陷丰富。本研究采用PA-MBE，利用射频解离N₂提供活性氮，实现不损伤ITO的低温生长。纳米线高表面体积比缓解晶格失配应力，甚至在多晶ITO上也能生长出单晶、低缺陷结构。

方法

ITO薄膜沉积

室温下射频磁控溅射沉积ITO膜（≈100 nm）：氩等离子体60 W，2.5 mTorr，25 sccm气流。沉积前石英片经丙酮和异丙醇清洗。退火后ITO方阻<10 Ω/□。

III-族氮化物纳米线生长

Veeco Gen 930 PA-MBE系统中生长。ITO/石英先在快速热退火炉650 °C、Ar气下退火5 min改善结晶。随后负载锁中200 °C和650 °C烘烤预清洗。生长参数：Ga BEP=1×10⁻⁷ Torr，500 °C沉积种子层，继而700 °C生长纳米线。低衬底温度防止ITO降解并促进垂直纳米线排列。

结构、光学与电学表征

Agilent 5500 SPM测表面形貌与ITO方阻。C-AFM中纳米线上蒸发5/5 nm Ni/Au接触，600 °C退火。Pt/Ir AFM探针在ITO施加偏压探测电流。横截面样品经FEI Helios Nanolab FIB制备，透射电镜（TEM）和高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）表征，电子能量损失谱（EELS）获取元素分布。40% KOH室温刻蚀1 h判极性。氦制冷恒温器中266 nm激光激发，10–290 K温变PL。Shimadzu UV-3600测UV-Vis-NIR透射，Bruker D2 Phaser做XRD。

结果与讨论

ITO热稳定性获验证：700 °C退火方阻<10 Ω/□但表面粗糙化（图1a–d）。纳米线直接在粗糙ITO上成核，保持垂直取向（0001），密度9.3×10⁹ cm⁻²，填充因子73%（图2b）。KOH刻蚀优先去除N极面，确认N极性（图2d）。HAADF-STEM与EELS线扫（图3a–b）显示界面陡峭，~4 nm过渡层可能为薄混合相GaN中间层（图3d）。高分辨TEM证实沿c轴单晶（图3c）。

PL谱（图4a）主峰为带边发射，黄光发射可忽略，表明低缺陷密度。温变PL（图4b）符合Varshni规律；阿伦尼乌斯分析得活化能195 meV，10 K内量子效率（IQE）~67%（图4c）。透射谱（图4d）显示GaN纳米线散射可见光，降低整体透射率，但衬底仍高透明。XRD（图4e）显示晶体ITO峰与GaN(0002)反射峰，确认垂直生长于多晶ITO。

n型掺杂纳米线C-AFM（图5a–c）显示初始高开启电压，因GaN/ITO界面肖特基势垒。二次扫描势垒降低，纳米线间测得可测电流（图5d）。多根纳米线均现此行为，暗示经初始偏压步骤后器件具电气鲁棒性。

结论

成功利用PA-MBE在ITO包覆熔融石英上低温生长单晶GaN纳米线。纳米线垂直排列、高结晶质量、N极性，带边PL强且无黄光。导电n型纳米线展现可行电学性能，定位该平台为透明高性能光电器件的有力候选。