Molecular beam epitaxial growth, characterization, and nanophotonic device applications of InN nanowires on Si platform

Abstract

Dislocation-free semiconductor nanowires are an extremely promising route towards compound semiconductor integration with silicon technology. However, precise control over nanowire doping, together with the surface charge properties, has remained a near-universal material challenge to date. In this regard, we have investigated the molecular beam epitaxial growth and the correlated surface electrical and optical properties of InN nanowires, a promising candidate for future ultrahigh-speed nanoscale electronic and photonic devices and systems, on Si platform.By dramatically improving the epitaxial growth process, intrinsic InN nanowires are achieved, for the first time, both within the bulk and on the non-polar InN surfaces. The near-surface Femi-level is measured to locate below the CBM, suggesting the absence of surface electron accumulation. Such intrinsic InN nanowires can possess an extremely low free carrier concentration of ~1e13 /cm3, as well as a close-to-theoretically-predicted electron mobility in the range of 8,000 to 12,000 cm2/V·s at room temperature. This result is in direct contrast to the universally observed 2DEG on the InN grown surfaces. Furthermore, the surface charge properties of InN nanowires, including the formation of 2DEG and the optical emission characteristics can be precisely tuned, for the first time, through the controlled n-type doping.More importantly, p-type doping into InN nanowires is also realized, for the first time. The presence of Mg-acceptors is clearly demonstrated by the PL spectra. Furthermore, p-type surface is observed from the XPS experiments, indicating the presence of free holes. Additionally, p-type conduction is directly measured by single nanowire field effect transistors.In the end of this thesis, InN nanowire p-i-n photodiodes are fabricated, with a light response up to the telecommunication wavelength range at low temperatures. This thesis work provides a vivid example, and paves the way for the rational “materials by design” development of silicon integrated InN-based device technology in the nanoscale.Les nanofils semi-conducteurs sans dislocations sont une voie très prometteuse vers l'intégration des semi-conducteurs composés avec la technologie silicium. Cependant, un contrôle précis de dopage des nanofils, ainsi que les propriétés de charge de surface, reste un défi universel à ce jour. À cet égard, nous avons étudié la croissance épitaxiale par faisceau moléculaire et les propriétés de surface corrélés électriques et optiques des nanofils de InN sur du substrat de silicium, qui ont émergé comme candidat prometteur pour l'avenir des dispositifs électroniques et photoniques à très haute vitesse et à échelle nanométriques.Pour la première fois, en améliorant le processus de croissance épitaxiale, InN intrinsèque est atteint, à la fois dans le volume et sur les surfaces non polaires de InN. Le niveau de Fermi à la surface est mesuré et localisée sous le CBM, ce qui suggère l'absence d'accumulation d'électrons en surface. Ces nanofils InN intrinsèques possédent une concentration de porteurs libres très faible ~1e13 /cm3, ainsi que d'une mobilité proche de le théoriquement prédite d'électrons entre 8000 à 12000 cm2/V·s à température ambiante. Ce résultat est en contraste direct avec les 2DEG observés sur les surfaces d'InN. En outre, les propriétés de charge de surface de nanofils InN, y compris la formation de 2DEG et les caractéristiques d'émission optiques, peut être réglé avec précision, pour la première fois, par l'intermédiaire du contrôle d'incorporation de dopants de type n.Plus important encore, dopage de type p dans les nanofils InN est également réalisé pour la première fois. La présence de niveaux d'énergie Mg-accepteur est démontrée par les spectres de PL. Dans ces nanofils dopés de Mg, il n'y a pas d'accumulation d'électrons de surface et le niveau de Fermi dans le volume est proche de la VBM, ce qui indique un matériau de type p.En fin, la jonction p-i-n basé sur des nanofils InN photodétecteurs qui peut être utilisé en mode photovoltaïque est démontrée, avec une réponse à la lumière jusqu'à la longueur d'onde des télécommunications à de basses températures. Ce travail de thèse fournit un exemple frappant, ainsi que prépare le terrain pour le développement "matériaux par conception" de la technologie des dispositifs en silicium intégrée à base InN à l'échelle nanométrique