Дизайн та дослідження фазових характеристик гетероструктури por-Ga 2 O 3 /por-GaAs/mono-GaAs

S. S. Kovachov; I. T. Bohdanov; D. S. Drozhcha; K. M. Tikhovod; V. V. Bondarenko; I. G. Kosogov; Ya. O. Suchikova

doi:10.15407/hftp15.02.212

Дизайн та дослідження фазових характеристик гетероструктури por-Ga₂O₃/por-GaAs/mono-GaAs

DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.02.212

S. S. Kovachov, I. T. Bohdanov, D. S. Drozhcha, K. M. Tikhovod, V. V. Bondarenko, I. G. Kosogov, Ya. O. Suchikova

Анотація

Синтез і характеристика гетероструктури por-Ga₂O₃/GaAs являють вирішальний прогрес у галузі наноматеріалів, особливо в оптоелектронних застосуваннях. Використовуючи методологію двостадійного електрохімічного травлення, це дослідження з’ясувало точні умови, необхідні для виготовлення такої гетероструктури. Початковий етап включає травлення монокристалічного арсеніду галію (GaAs) з використанням водного розчину азотної кислоти як електроліту. Цей процес регулюється окисно-відновними реакціями на межі кристал-електроліт, де GaAs частково окиснюється та вибірково травиться.

На другому етапі в електролітичний розчин вводиться етанол. Ця хімічна добавка виконує подвійну роль: по-перше, вона модулює електрохімічне середовище, таким чином дозволяючи контролювати морфологію пор у GaAs. По-друге, це полегшує травлення отриманого оксидного шару, який переважно складається з оксиду галію (Ga₂O₃). Утворення цього оксидного шару можна пояснити окисненням GaAs, що викликається електрохімічними потенціалами та призводить до осадження побічних продуктів реакції на поверхні підкладки.

Вичерпну характеристику виготовленого нанокомпозиту було виконано з використанням скануючої електронної мікроскопії (SEM), енергетично-дисперсійного рентгенівського аналізу (EDX) і раманівської спектроскопії. SEM зображення виявило ряд агломерованих наноструктур, розсіяних по поверхні, з розмірами в діапазоні від 8–25, 1–1.5 мкм і 70–100 нм. Ці спостереження свідчать про ієрархічну структуру пор, що вказує на складний механізм травлення, який модулюється складом електроліту.

Раманівський спектроскопічний аналіз підтвердив наявність різних фаз у гетероструктурі. Сигнали, що відповідають об’ємному GaAs, який служить підкладкою, були чітко помітні. Крім того, спостерігалися піки, що вказують на пористий GaAs і пористий Ga₂O₃. Наявність кубічної фази в шарі Ga₂O₃ заслуговує особливої уваги, що свідчить про вищий ступінь кристалічності. Важливо, що відсутність Раманівських активних мод, пов’язаних із внутрішніми напругами, означає, що виготовлена гетероструктура має високу якість.

Ключові слова

Ga2O3; GaAs; електрохімічне травлення; оксидування; пори; гетероструктури

Повний текст:

Посилання

1. Wang Z., Cheng K., Sun J., Wang X., Wang G., Liu X., Ma X. Ultra-Wide Bandgap Quasi Two-Dimensional β-Ga2O3 with Highly In-Plane Anisotropy for Power Electronics. Appl. Surf. Sci. 2023. 619: 156771.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156771

2. Liu F., Zhao X., Li Y., Liu C. Photoluminescence properties and DFT simulations of the Cr ion-implanted (100)-oriented β-Ga2O3 single crystals. J. Alloys Compd. 2023. 946: 169301. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169301

3. Luchechko A., Vasyltsiv V., Kostyk L., Tsvetkova O., Popov A.I. Shallow and deep trap levels in X-ray irradiated β-Ga2O3: Mg. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2019. 441: 12. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.12.045

4. Suchikova Y., Lazarenko A., Kovachov S., Usseinov A., Karipbaev Z., Popov A.I. Formation of porous Ga2O3/GaAs layers for electronic devices. In: 2022 IEEE 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). (2022, February). IEEE. pp. 01-04. https://doi.org/10.1109/TCSET55632.2022.9766890

5. Chiang Jung-Lung, Bharath Kumar Yadlapalli, Mu-I Chen, Dong-Sing Wuu. A Review on Gallium Oxide Materials from Solution Processes. Nanomaterials. 2022. 12(20): 3601. https://doi.org/10.3390/nano12203601

6. Miao Y., Liang B., Tian Y., Xiong T., Sun S., Chen C. Epitaxial growth of β-Ga2O3 nanowires from horizontal to obliquely upward evolution. Vacuum. 2021. 192: 110444. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110444

7. Tang X., Li K.H., Zhao Y., Sui Y., Liang H., Liu Z., Li X. Quasi-Epitaxial Growth of β-Ga2O3-Coated Wide Band Gap Semiconductor Tape for Flexible UV Photodetectors. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. 14(1): 1304. https://doi.org/10.1021/acsami.1c15560

8. Nakanishi M., Wong M.H., Yamaguchi T., Honda T., Higashiwaki M., Onuma T. Effect of thermal annealing on photoexcited carriers in nitrogen-ion-implanted β-Ga2O3 crystals detected by photocurrent measurement. AIP Adv. 2021. 11(3): 035237. https://doi.org/10.1063/5.0031937

9. Lee J., Kim H., Gautam L., He K., Hu X., Dravid V.P., Razeghi M. Study of phase transition in MOCVD grown Ga2O3 from κ to β phase by ex situ and in situ annealing. Photonics. 2021. 8(1): 17. https://doi.org/10.3390/photonics8010017

10. Xie Y., Nie Y., Zheng Y., Luo Y., Zhang J., Yi Z., Wu P. The influence of β-Ga2O3 film thickness on the optoelectronic properties of β-Ga2O3@ ZnO nanocomposite heterogeneous materials. Mater. Today Commun. 2021. 29: 102873. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102873

11. Vequizo J.J.M.; Ichimura M. Electrodeposition of Ga-O Thin Films from Aqueous Gallium Sulfate Solutions. Jpn. J. Appl. Phys. 2013. 52: 075503. https://doi.org/10.7567/JJAP.52.075503

12. Vambol S.O., Bohdanov I.T., Vambol V.V., Onyschenko S.V. Formation of filamentary structures of oxide on the surface of monocrystalline gallium arsenide. Journal of Nano-and Electronic Physics. 2017. 9(6): 06016. https://doi.org/10.21272/jnep.9(6).06016

13. Usseinov A., Koishybayeva Z., Akilbekov A., Abuova F.U., Kotomin E., Popov A.I. Ab initio calculations of native defects IN β-Ga2O3. Latv. J. Phys. Tech. Sci. 2021. 58(2): 3.

14. Usseinov A., Platonenko A., Koishybayeva Z., Akilbekov A., Zdorovets M., Popov A.I. Pair vacancy defects in β-Ga2O3 crystal: Ab initio study. Opt. Mater.: X. 2022. 16: 100200. https://doi.org/10.1016/j.omx.2022.100200

15. Lu Y.M., Li C., Chen X.H., Han S., Cao P.J., Jia F., Zhu D.L. Preparation of Ga2O3 thin film solar-blind photodetectors based on mixed-phase structure by pulsed laser deposition. Chin. Phys. B. 2019. 28(1): 018504. https://doi.org/10.1088/1674-1056/28/1/018504

16. Yi G., Jeon S., Kwon Y.W., Park J., Nguyen D.A., Sandeep C.S., Kim Y.J. Enhanced third harmonic generation in ultrathin free-standing β-Ga2O3 nanomembranes: study on surface and bulk contribution. Nanoscale. 2022. 14(1): 175. https://doi.org/10.1039/D1NR06259J

17. Zheng X.Q., Xie Y., Lee J., Jia Z., Tao X., Feng P.X.L. Beta gallium oxide (β-Ga2O3) nanoelectromechanical transducer for dual-modality solar-blind ultraviolet light detection. APL Mater. 2019. 7(2): 022523. https://doi.org/10.1063/1.5054625

18. Kokubun Y., Miura K., Endo F., Nakagomi S. Sol-gel prepared β-Ga2O3 thin films for ultraviolet photodetectors. Appl. Phys. Lett. 2007. 90: 2. https://doi.org/10.1063/1.2432946

19. Sinha G., Ganguli D., Chaudhuri S. Crystallization and optical properties of finite sized β-Ga2O3 in sol-gel derived Ga2O3: SiO2 nanocomposites. J. Phys. Condens. Matter. 2006. 18: 11167. https://doi.org/10.1088/0953-8984/18/49/010

20. Nikolaev V.I., Maslov V., Stepanov S.I., Bougrov V.E., Romanov A.E. Growth and characterization of β-Ga2O3 crystals. J. Cryst. Growth. 2017. 457: 132. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.05.049

21. Cheng Z., Wheeler V.D., Bai T., Shi J., Tadjer M.J., Feygelson T., Graham S. Integration of polycrystalline Ga2O3 on diamond for thermal management. Appl. Phys. Lett. 2020. 116(6): 062105. https://doi.org/10.1063/1.5125637

22. Sychikova Y.O., Bogdanov I.T., Kovachov S.S. Influence of current density of anodizing on the geometric characteristics of nanostructures synthesized on the surface of semiconductors of A3B5 group and silicon. Funct. Mater. 2019. 27(1): 29. https://doi.org/10.15407/fm27.01.29

23. Suchikova J.A., Kidalov V.V., Sukach G.A. Blue shift of photoluminescence spectrum of porous InP. ECS Trans. 2009. 25(24): 59. https://doi.org/10.1149/1.3316113

24. Sychikova Y.O. Porous indium phosphide: Preparation and properties. Handbook of Nanoelectrochemistry: Electrochemical Synthesis Methods, Properties, and Characterization Techniques. 2016. 283. https://doi.org/10.1007/978-3-319-15266-0_28

25. Suohikova Y., Vambol S., Vambol V., Mozaffari N., Mozaffari N. Justification of the most rational method for the nanostructures synthesis on the semiconductors surface. J. Achiev. Mater. Manuf. Eng. 2019. 92(1-2), 19. https://doi.org/10.5604/01.3001.0013.3184

26. Kleimann P., Badel X., Linnros J. Toward the formation of three-dimensional nanostructures by electrochemical etching of silicon. Appl. Phys. Lett. 2005. 86: 183108. https://doi.org/10.1063/1.1924883

27. Yang X., Tong L., Wu L., Zhang B., Liao Z., Chen A., Zhou Y., Liu Y., Hu Y. Research progress of silicon nanostructures prepared by electrochemical etching based on galvanic cells. J. Phys. Conf. Ser. 2021. 2076(1): 012117. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2076/1/012117

28. Zhang Y., Gao F., Wang D., Li Z., Wang X., Wang C., Du Y. Amorphous/crystalline heterostructure transition-metal-based catalysts for high-performance water splitting. Coord. Chem. Rev. 2023. 475: 214916. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214916

29. Yahaya M.Z., Nazeri M.F.M., Salleh N.A., Kurt A., Kheawhom S., Illés B., Mohamad A.A. Selective etching of lead-free solder alloys: A brief review. Mater. Today Commun. 2022. 33: 104520. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104520

30. Wang F., Wang X. Mechanisms in the solution growth of free-standing two-dimensional inorganic nanomaterials. Nanoscale. 2014. 6(12): 6398. https://doi.org/10.1039/c4nr00973h

31. Ogle K. Atomic emission spectroelectrochemistry: real-time rate measurements of dissolution, corrosion, and passivation. Corrosion. 2019. 75(12): 1398. https://doi.org/10.5006/3336

32. Shiota I., Miyamoto N., Nishizawa J. Passivation of GaAs surfaces by GaOxNy films and by multilayers. Surf. Sci. 1979. 86: 272. https://doi.org/10.1016/0039-6028(79)90404-7

33. Kwo J., Murphy D.W., Hong M., Opila R.L., Mannaerts J.P., Sergent A.M., Masaitis R.L. Passivation of GaAs using (Ga2O3)1−x(Gd2O3)x, 0⩽x⩽1.0 films. Appl. Phys. Lett. 1999. 75: 1116. https://doi.org/10.1063/1.124614

34. Dohy D., Lucazeau G., Revcolevschi A. Raman spectra and valence force field of single-crystalline β-Ga2O3 J. Solid State Chem. 1982. 45: 180. https://doi.org/10.1016/0022-4596(82)90274-2

35. Kranert C., Sturm C., Schmidt-Grund R., Grundmann M. Raman tensor elements of β-Ga2O3. Sci. Rep. 2016. 6(1): 1. https://doi.org/10.1038/srep35964

36. Gao Y.H., Bando Y., Sato T., Zhang Y.F., Gao X.Q. Synthesis, Raman scattering and defects of β-Ga2O3 nanorods. Appl. Phys. Lett. 2002. 81(12): 2267. https://doi.org/10.1063/1.1507835

37. Rao R., Rao A.M., Xu B., Dong J., Sharma S., Sunkara M.K. Blueshifted Raman Scattering and its Correlation with the [110] Growth Direction in Gallium Oxide Nanowires. J. Appl. Phys. 2005. 98: 094312. https://doi.org/10.1063/1.2128044

38. Yadav A., Fu B., Bonvicini S.N., Ly L.Q., Jia Z., Shi Y. β-Ga2O3 Nanostructures: Chemical Vapor Deposition Growth Using Thermally Dewetted Au Nanoparticles as Catalyst and Characterization. Nanomaterials (Basel). 2022. 12(15): 2589. https://doi.org/10.3390/nano12152589

39. Dohy D., Lucazeau G., Revcolevschi A. Raman spectra and valence force field of single-crystalline β Ga2O3. J. Solid State Chem. 1982. 45: 180. https://doi.org/10.1016/0022-4596(82)90274-2

40. Ochoa M.A., Maslar J.E., Bennett H.S. Extracting electron densities in n-type GaAs from Raman spectra: Comparisons with Hall measurements. J. Appl. Phys. 2020. 128(7): 10.1063. https://doi.org/10.1063/5.0011247

41. Hosein I.D., Hegde M., Jones P.D., Chirmanov V., Radovanovic P.V. Evolution of the Faceting, Morphology and Aspect Ratio of Gallium Oxide Nanowires Grown by Vapor-solid Deposition. J. Cryst. Growth. 2014. 396: 24. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.03.037

42. Onuma T., Fujioka S., Yamaguchi T., Itoh Y., Higashiwaki M., Sasaki K., Masui T., Honda T. Polarized Raman spectra in β-Ga2O3 single crystals. J. Cryst. Growth. 2014. 401: 330. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.12.061

43. Suchikova Y., Kovachov S., Bohdanov I. Formation of oxide crystallites on the porous GaAs surface by electrochemical deposition. Nanomaterials and Nanotechnology. 2022. 12(30): 184798042211273. https://doi.org/10.1177/18479804221127307

44. Brooks G.A., Rankin W.J. Solid-solution formation between arsenic and antimony oxides. Metallurgical Mater Trans B. 1994. 25(6): 865. https://doi.org/10.1007/BF02662768

45. Mikoushkin V.M., Bryzgalov V.V., Nikonov S.Y. Composition and band structure of the native oxide nanolayer on the ion beam treated surface of the GaAs wafer. Semiconductors. 2018. 52(5): 593. https://doi.org/10.1134/S1063782618050214

46. Quagliano L.G. Detection of As2O3 arsenic oxide on GaAs surface by Raman scattering. Appl. Surf. Sci. 2000. 153(4): 240. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(99)00355-4

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)// <![CDATA[ window.dataLayer = window.dataLayer || []; function gtag(){dataLayer.push(arguments);} gtag('js', new Date()); gtag('config', 'G-Z9QEL51GHQ'); // ]]>