InN is a promising material applicable to high efficiency solar cells, light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs) and high frequency transistors due to interesting physical properties such as low band gap, surface accumulation layer, high electron mobility and saturation electron drift velocity. Among these properties, measurement of the band gap has immensely debated. Primarily, the band gap of InN was known to 1.89 eV, but recent research reports that the band gap of InN is especially small value of 0.67 eV. Due to this imposing discovery, nitrides have become to cover a wide range of band gap from near-infrared (NIR) to ultra-violet (UV). However, InN is easily decomposed for its high dissociation pressure. It is considerably important point that the band gap of InN are degraded by decomposition. However, native oxide layer fortunately formed at the surface block the decomposition of InN. Although lots of researches have been made in the physical property measurement of InN, few researches have been conducted about the effect of $In_2O_3$ on InN.
We synthesized $InN/In_2O_3$ core-shell structures using InN nanorod counterparts to investigate the stability and microstructure changes of InN by the oxygen. InN nanorods, which looks just like baseball bats (nanobats), were grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) on Si(111) substrates. To make $shell-In_2O_3$, rapid thermal oxidation was conducted in the oxygen ambient. As the oxidation time passed, the surface of the InN nanobats converted to $bcc-In_2O_3$ and oxide thickness depended on oxidation time. The morphology of wires changed and interesting phenomena like rounding and bursting of wires were detected.
InN nanobats were grown along [0001] and had hexagonal shape, which was consisted of (10-10) planes. (10-10) planes having the lowest surface energy $(1.502 J/m^2)$ is known as the most stable plane in wurtzite InN. The diameter of nanowires were 80~200nm and upper part was thicker than bottom.
During the oxidation process, the morphology of InN nanowires were changed and hexagonal planes were rounded. Thickness of oxide layer was quite uniform all over the $InN/In_2O_3$ core-shell nanowires. Core-InN (wurtzite) and $shell-In_2O_3$ (bcc) had preferred orientation relationships of InN (0002)∥$In_2O_3$ (-111) and [1-100] InN∥[-211] $In_2O_3$. However, oxidized $In_2O_3$ shell layer was not a single crystal but polycrystalline.
When InN nanowires were oxidized for 14min, imposing bursting phenomenon was observed. Cracks were formed and propagated along the [11-20] or [10-10] directions. After bursting effect emerged, cracks act like diffusion pathway and oxidation rate is increased, tremendously. However, crack propagation rate was not uniform over the nanowires.
When $In_2O_3$ is formed during oxidation process, volume expansion per one In atom is about 4.788%. InN and $In_2O_3$ have lattice mismatch and the effective value is known as 2.14%. Finally, edge can be taken high stress because of exposed shape. These volume expansion, lattice mismatch, and geometrical shape of nanowire are considered as main factors in bursting process.
InN는 작은 band gap과 surface accumulation layer, 높은 전자이동도 등을 가져서 고효율 태양전지, LED, LD, 고주파 트랜지스터에 사용이 가능한 물질이다. 특히, InN의 band gap은 1.89 eV로 알려졌었지만, 최근 보고에 따르면 0.67 eV의 매우 작은 band gap을 가지는 것으로 밝혀졌다. 이러한 발견으로 nitrides semiconductor는 적외선에서 자외선의 넓은 영역의 band gap 구현이 가능해졌다. 하지만, InN는 높은 분해압으로 쉽게 분해가 된다. InN의 band gap은 분해에 의해 손상된다. 그러나, 표면에 생성된 oxide층은 InN의 분해를 막는다. InN의 물리적 특성연구는 많이 진행되었지만, $In_2O_3$ 가 InN에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다.
산소분위기에서 InN의 안정성과 미세구조 변화를 관찰하기 위하여 $InN/In_2O_3$ core-shell 구조를 InN nanorod를 이용하여 만들었다. 야구배트처럼 보이는 InN nanorod는 PA-MBE 방식으로 SI (111) 기판에 성장되었다. $In_2O_3$ 껍질층을 만들기 위하여, 산소분위기에서 rapid thermal oxidation이 진행되었다. 산화시간이 증가함에 따라서, InN nanobat의 표면은 $bcc-In_2O_3$ 로 변했고 산화층의 두께는 산화시간에 의존적이었다. 또한, nanowire의 형상이 변했으며 nanowire가 crack이 생기면서 터지는 bursting 현상이 관찰되었다.
InN nanobat은 [0001] 방향으로 잘 성장하였으며 육각기둥의 형상을 띄고 있었다. 이 육각기둥은 (10-10)면으로 밝혀졌다. (10-10) 면은 wurtzite InN에서 가장 낮은 표면에너지를 가지는 면으로 알려져있다. nanowire의 지름은 80-200nm 였으며, 상부가 하부보다 두꺼웠다.
산화과정을 거치면서 육각면들은 둥그런형상을 띄었다. $InN/In_2O_3$ core-shell nanowire에서 산화층의 두께는 균일했다. 그리고 core-InN와 $shell-In_2O_3$는 (0002) InN∥ (-111) $In_2O_3$ and [1-100] InN∥[-211] $In_2O_3$ 인 방향관계를 가지고 있었다. 그러나, 산화된 $In_2O_3$ 껍질층은 단결정이 아닌 다결정이었다.
InN nanowire가 14분 산화되었을 때, bursting 현상이 관찰되었다. Crack은 [11-20] 방향이나 [10-10] 방향으로 생성되고 진행하였다. Bursting 현상이 나타난 이후에, crack은 산소의 확산경로로 작용하여 산화 속도가 급격히 증가하였다. crack의 전파속도는 nanowire에서 균일하지 않았다.
$In_2O_3$ 가 산화과정을 통해서 생성될 때, 4.788%의 부피증가가 있다. 또한, InN와 $In_2O_3$ 의 effective lattice mismatch는 2.14%이다. 마지막으로 nanowire의 형상으로 큰 stress가 걸릴 수 있다. 이러한 이유로 nanowire에서 bursting 현상이 나타난다고 생각할 수 있다.
