Crystal Growth and Characterization of n-GaN in a Multiple Quantum Shell Nanowire-Based Light Emitter with a Tunnel Junction

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作者
Yoshiya Miyamoto,Weifang Lu,Naoki Sone,Renji Okuda,Kazuma Ito,Koji Okuno,Koichi Mizutani,Kazuyoshi Iida,Masaki Ohya,Motoaki Iwaya,Tetsuya Takeuchi,Satoshi Kamiyama,Isamu Akasaki
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (31): 37883-37892 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.1c09591
摘要

Here, we systematically investigated the growth conditions of an n-GaN cap layer for nanowire-based light emitters with a tunnel junction. Selective-area growth of multiple quantum shell (MQS)/nanowire core-shell structures on a patterned n-GaN/sapphire substrate was performed by metal-organic vapor phase epitaxy, followed by the growth of a p-GaN, an n++/ p++-GaN tunnel junction, and an n-GaN cap layer. Specifically, two-step growth of the n-GaN cap layer was carried out under various growth conditions to determine the optimal conditions for a flat n-GaN cap layer. Scanning transmission electron microscopy characterization revealed that n++-GaN can be uniformly grown on the m-plane sidewall of MQS nanowires. A clear tunnel junction, involving 10-nm-thick p++-GaN and 3-nm-thick n++-GaN, was confirmed on the nonpolar m-planes of the nanowires. The Mg doping concentration and distribution profile of the p++-GaN shell were inspected using three-dimensional atom probe tomography. Afterward, the reconstructed isoconcentration mapping was applied to identify Mg-rich clusters. The density and average size of the Mg clusters were estimated to be approximately 4.3 × 1017 cm-3 and 5 nm, respectively. Excluding the Mg atoms contained in the clusters, the remaining Mg doping concentration in the p++-GaN region was calculated to be 1.1 × 1020 cm-3. Despite the lack of effective activation, a reasonably low operating voltage and distinct light emissions were preliminarily observed in MQS nanowire-based LEDs under the optimal n-GaN cap growth conditions. In the fabricated MQS-nanowire devices, carriers were injected into both the r-plane and m-plane of the nanowires without a clear quantum confinement Stark effect.
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