Selective area growth of indium arsenide in-plane nanowires

Thumbnail Image

Files

master_Höglund_Simo_2020.pdf (16.54 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2020-12-14

Department

Major/Subject

Photonics and Nanotechnology

Mcode

ELEC3052

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

62

Series

Abstract

III-V semiconductor nanowires are one of the most promising platforms for next generation semiconductor devices. An issue towards their large-scale integration into functional systems is their assembly. This work demonstrates selective area grown (SAG) in-plane indium arsenide (InAs) nanowires on (100) and (111)B indium phosphide (InP) substrates. The growth was carried out using metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). The exploitation of SAG in-plane nanowires enables control of the size and the assembly of nanowires on the substrate. The growth parameters for SAG of InAs in-plane nanowires were optimized using design of experiments (DOE). The morphology of the nanowires was imaged with scanning electron microscopy (SEM) and the crystal structure as well as individual defects were imaged with transmission electron microscopy (TEM). In addition, design rules were derived for in-plane nanowire growth on (100) and (111)B substrates. Finally, nanowire networks were grown following these rules. The nanowire growth rate was optimized and a model was constructed which is beneficial for engineering of future growth runs. The crystal quality was optimized employing micro-Raman spectroscopy. The optimal crystal quality was observed in nanowires grown at 500 °C and tertiarybutylarsine (TBAs) flow rate of 155 sccm. TEM images revealed that the structure of nanowires was zincblende and they had twinning plane defects. Nanowires grown in [1 1 0] direction comprised less defects compared to nanowires grown in [110] direction. Also, less defects were observed in nanowires grown at 500 °C compared to nanowires grown at 600 °C. Uniform nanowires were grown only in〈100〉and〈110〉directions on (100) substrates whereas uniform nanowires were grown only in〈110,〈112〉and〈211〉directions on (111)B substrates. By following these rules, in-plane nanowire networks were grown on (100) and (111)B substrates. The results of this work promote further development of in-plane nanowires for real applications.

III-V puolijohdenanolangat ovat lupaava alusta seuraavan sukupolven puolijohdekomponenteille. Yksi suurimmista ongelmista nanolankojen valmistuksessa on niiden kasvattaminen ennalta määrättyihin suuntiin ja -paikkoihin. Tässä työssä optimoitiin kasvuparametrit selektiivisesti kasvatetuille alustan suuntaisille indiumarsenidinanolangoille. Nanolankojen kasvatus toteutettiin metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla (100)- ja (111)B indiumfosfidi-alustakiteille. Kasvuparametrit optimoitiin hyödyntäen koesuunnittelua (Design of Experiments, DOE). Nanolankojen rakennetta tutkittiin elektronimikroskopialla. Nanolankojen kasvusuuntia tutkimalla määritettiin säännöt nanolankojen suunnittelulle (100) ja (111)B alustakiteille. Näitä sääntöjä noudattamalla kasvatettiin yhtenäisiä nanolankaverkostoja. Nanolankojen kasvunopeuden optimoinnin tuloksena kasvunopeudelle laadittiin malli, mikä on hyödyllinen tulevaisuuden kasvatusten suunnittelussa. Nanolankojen kidelaatu optimoitiin hyödyntäen mikro-Raman spektroskopiaa. Paras kidelaatu todettiin nanolangoissa, jotka oli kasvatettu 500 °C lämpötilassa ja tertiääributyyliarseenin virtauksen ollessa 155 sccm. Läpäisyelektronimikroskoopilla otetuista kuvista todettiin nanolankojen kiderakenteen olevan sinkkivälkettä sisältäen pinousvirheitä. Vähemmän pinousvirheitä huomattiin [110] kidesuuntaan kasvaneissa nanolangoissa verrattuna [110] kidesuuntaan kasvaneisiin nanolankoihin. Lisäksi vähemmän pinousvirheitä todettiin 500 °C lämpötilassa kasvaneissa nanolangoissa verrattuna 600 °C lämpötilassa kasvaneisiin nanolankoihin. Yhtenäisiä nanolankoja todettiin kasvavan (100) alustakiteellä vain〈100〉ja〈110〉kidesuunnissa. (111)B alustakiteellä yhtenäisiä nanolankoja todettiin kasvavan vain〈110〉,〈112〉ja〈211〉kidesuunnissa. Näitä ohjeita noudattamalla nanolankaverkostoja kasvatettiin (100) ja (111)B alustakiteille. Työn tulokset tukevat alustan suuntaisten nanolankojen kehitystä kohti sovelluksia.

Description

Supervisor

Lipsanen, Harri

Thesis advisor

Khayrudinov, Vladislav

Keywords

nanowire, MOVPE, epitaxy, design of experiments

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122056374

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC