Unveiling the Optical Properties of InP/InGaP Nanowires using Spectroscopic Characterization Techniques

Abstract

Semiconductor nanowires are promising materials for the next generation of tandem solar cells. Its dimension allows one to combine a large variety of materials not allowed in planar solar cells because of the large lattice mismatch. Nanowires have also shown great potential in electrical, biomedical, photonics, and other applications. Different configurations, doping, and concentrations have been used. Therefore, understanding the nanowire properties is crucial to grow nanowires for different applications. In that context, optical techniques are very powerful non-invasive tools for charac- terizing semiconductor nanowires. In this work, we have characterized axially hetero-structured InP/InGaP nanowires with micro-Raman spectroscopy, micro-photoluminescence, tip-enhanced Raman spectroscopy, tip-enhanced photoluminescence, and energy-dispersive X-ray analysis. We found peculiar optical phenomena along the nanowire, which consists of two p n junctions made of InP and InGaP, respectively, axially bridged by a n+-InP/p+-InGaP tunnel diode. In particular, a local resonance at the tunnel junction is accompanied by the breakdown of the Raman selection rules. Furthermore, plasmon damped mode was observed in the heavily p-type doped side of the tunnel junction. Photoluminescence measurements allowed to detect the presence of a parasitic InGaP layer grown laterally at the bottom of the nanowire.

Los nanohilos semiconductores son materiales prometedores para la próxima generación de células solares tándem. Su dimensión permite combinar una gran variedad de materiales no permiti- dos en las células solares planas debido a la gran diferencia en los parámetros de red. Los nanohilos también han mostrado un gran potencial en aplicaciones eléctricas, biomédicas, fotónicas y otras. Se han utilizado diferentes configuraciones, dopaje y concentraciones. Por lo tanto, comprender las propiedades de los nanohilos es crucial para desarrollar nanohilos para diferentes aplicaciones. En ese contexto, las técnicas ópticas son herramientas no invasivas muy poderosas para caracterizar nanohilos semiconductores. En este trabajo, hemos caracterizado nanohilos InP/InGaP axialmente heteroestructurados con espectroscopia micro-Raman, micro-fotoluminiscencia, espectroscopia Raman mejorada con la punta (TERS), fotoluminiscencia mejorada con la punta (TEPL) y análisis de rayos X de dispersión de energía. Encontramos asombrosos fenómenos ópticos en los nanohilos de InP/InGaP investigados, que consisten en dos uniones p-n hechas de InP y InGaP y conectadas axialmente mediante un diodo túnel formado por n+-InP/p+-InGaP. En particular, hallamos una resonancia local en el espectro RAman correspondiente a la union túnel acompañada por la ruptura de las reglas de selección Raman. Además, se observó un modo amortiguado de plasmón en el lado fuertemente dopado de tipo p de la unión túnel. Las mediciones de fotoluminiscencia permitieron detectar la presencia de una capa de InGaP parásita que creció lateralmente en la parte inferior del nanohilo.