The growth of GaN nanocrystals in an amorphous SiO2 matrix by sequential Ga and N implantation and rapid thermal annealing is reported. The effect of the implantation and annealing conditions on the distribution of the implanted ions, as well as the size, static disorder, and stability of the grown GaN nanocrystals, is studied by means of transmission electron microscopy, Rutherford backscattering spectrometry, Raman scattering, and extended X-ray absorption fine structure spectroscopies. It is found that the optimum temperature range for the post-implantation annealing of the nanocrystals, with a size that ranges from about 3 to 12 nm, is 1000–1100 °C. Higher temperatures result in the dissociation of the nanocrystals and out-diffusion of N and Ga, whereas lower temperatures are insufficient for the growth of GaN nanocrystals. Annealing for 30–90 s is optimum in order to avoid considerable loss of N and Ga. However, upon annealing at higher temperatures within the optimum range, up to 1100 °C, or for longer times, up to 120 s, larger GaN nanocrystals are grown and/or lower static disorder is observed.

1.
A. P.
Alivisatos
,
Science
271
,
933
(
1996
).
2.
F.
Boxberg
and
J.
Tulkki
, in
Handbook of Nanotechnology, Nanometer Structures—Theory, Modelling, and Simulation
, edited by
A.
Lakhtakia
(
SPIE
,
2004
), Chap. 4.
3.
S. H.
Lee
, “
Zn and GaN nanostructures and their applications
,” in
Oxide and Nitride Semiconductors Processing, Properties and Applications
, edited by
T.
Yao
and
S.-K.
Hong
(
Springer
,
Berlin
,
2009
), pp.
459
505
.
4.
O. I.
Mićić
,
S. P.
Ahrenkiel
,
D.
Bertram
, and
A. J.
Nozik
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
478
(
1999
).
5.
A.
Demirel
,
T.
Öztaş
,
C.
Kurşungöz
,
İ.
Yılmaz
, and
B.
Ortaç
,
Nanopart. Res.
18
,
128
(
2016
).
6.
G.
Pan
,
M. E.
Kordesch
, and
P. G.
Van Patten
,
Chem. Mater.
18
,
3915
(
2006
).
7.
P. A.
Crozier
,
J.
Tolle
,
J.
Kouvetakis
, and
C.
Ritter
,
Microsc. Microanal.
10
(
S02
),
356
(
2004
).
8.
B.
Damilano
,
J.
Brault
, and
J.
Massies
,
J. Appl. Phys.
118
,
024304
(
2015
).
9.
T.
Maruyama
,
H.
Otsubo
,
T.
Kondo
,
Y.
Yamamoto
, and
S.
Naritsuka
,
J. Cryst. Growth
301–302
,
486
(
2007
).
10.
A.
Neogi
,
H.
Everitt
,
H.
Morko
,
T.
Kuroda
, and
A.
Tackeuchi
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
2
,
10
(
2003
).
11.
K.
Choi
,
M.
Arita
,
S.
Kako
, and
Y.
Arakawa
,
J. Cryst. Growth
370
,
328
(
2013
).
12.
C.
Adelmann
,
E.
Martinez Guerrero
,
F.
Chabuel
,
J.
Simon
,
B.
Bataillou
,
G.
Mula
,
L. S.
Dang
,
N. T.
Pelekanos
,
B.
Daudin
,
G.
Feuillet
, and
H.
Mariette
,
Mater. Sci. Eng. B
82
,
212
(
2001
).
13.
B.
Gayral
,
B.
Daudin
, and
M.
Henini
, “
Growth and characterization of structural and optical properties of polar and non-polar GaN quantum dots
,” in
Handbook of Self-Assembled Semiconductor Nanostructures for Novel Devices in Photonics and Electronics
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
2008
), Chap. 6.
14.
Y.
Wang
,
A. S.
Özcan
,
C.
Sanborn
,
K. F.
Ludwig
,
A.
Bhattacharyya
,
R.
Chandrasekaran
,
T. D.
Moustakas
,
L.
Zhou
, and
D. J.
Smith
,
J. Appl. Phys.
102
,
073522
(
2007
).
15.
J.
von Borany
,
K.-H.
Heinig
, and
W.
Skorupa
,
Adv. Solid State Phys.
39
,
171
(
1999
).
16.
Ε
Borsella
,
Μ. Α.
Garcia
,
G.
Mattei
,
C.
Maurizio
,
P.
Mazzoldi
,
E.
Cattaruzza
,
F.
Gonella
,
G.
Battaglin
,
A.
Quaranta
, and
F.
D'Acapito
,
J. Appl. Phys.
90
,
4467
(
2001
).
17.
C.
Maurizio
,
G.
Mattei
,
M. A.
Garcia
,
E.
Borsella
,
P.
Mazzoldi
,
A.
Quaranta
, and
F.
D’Acapito
,
Eur. Phys. J. D
25
,
25
(
2003
).
18.
J. A.
Wolk
,
K. M.
Yu
,
E. D.
Bourret-Courchesne
, and
E.
Johnson
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
2268
(
1997
).
19.
J.
Yanagisawa
,
M.
Toda
,
T.
Kitamura
,
H.
Matsumoto
, and
Y.
Akasaka
,
J. Vac. Sci. Technol. B
23
,
3205
(
2005
).
20.
V.
Baranwal
,
R.
Krishna
,
F.
Singh
,
A.
Tripathi
,
A. C.
Pandey
, and
D.
Kanjilal
,
Appl. Surf. Sci.
253
,
5317
(
2007
).
21.
X. W.
Lin
,
M.
Behar
,
R.
Maltez
,
W.
Swider
,
Z.
Liliental-Weber
, and
J.
Washburn
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
2699
(
1995
).
22.
A. W.
Wood
,
R. R.
Collino
,
P. T.
Wang
,
Y. Q.
Wang
, and
R. S.
Goldman
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
203113
(
2012
).
23.
S.
Dhara
,
P.
Magudapathy
,
R.
Kesavamoorthy
,
S.
Kalavathi
,
K. G. M.
Nair
,
G. M.
Hsu
,
L. C.
Chen
,
K. H.
Chen
,
K.
Santhakumar
, and
T.
Soga
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
261915
(
2005
).
24.
K.
Kuriyama
,
H.
Kondo
,
N.
Hayashi
,
M.
Ogura
,
M.
Hasegawa
,
N.
Kobayashi
,
Y.
Takahashi
, and
S.
Watanabe
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2546
(
2001
).
25.
J.
Kioseoglou
,
M.
Katsikini
,
K.
Termentzidis
,
I.
Karakostas
, and
E. C.
Paloura
,
J. Appl. Phys.
121
,
054301
(
2017
).
26.
K.
Termentzidis
,
V. M.
Giordano
,
M.
Katsikini
,
E.
Paloura
,
G.
Pernot
,
M.
Verdier
,
D.
Lacroix
,
I.
Karakostas
, and
J.
Kioseoglou
,
Nanoscale
10
,
21732
(
2018
).
27.
M. K.
Wu
,
Y. T.
Shih
,
M. J.
Chen
,
J. R.
Yang
, and
M.
Shiojiri
,
Phys. Status Solidi RRL
3
,
88
(
2009
).
28.
V.
Privezentsev
,
V.
Kulikauskas
,
A.
Bazhenov
, and
E.
Steinman
,
Phys. Status Solidi C
10
,
48
(
2013
).
29.
H.
Amekura
,
H.-S.
Wang
,
S.
Hishita
,
J.
Pan
,
N.
Kishimoto
,
C.
Buchal
, and
S.
Mantl
,
Nanotechnology
20
,
065303
(
2009
).
30.
Y.
Shen
,
X.
Li
,
Z.
Wang
,
L.
Zhang
,
D.
Zhang
,
M.
Li
,
B.
Yuan
,
Z.
Li
, and
C.
Liu
,
J. Cryst. Growth
311
,
4605
(
2009
).
31.
I.
Muntele
,
C.
Muntele
,
P.
Thevenard
, and
D.
Ila
,
Surf. Coat. Technol.
201
,
8557
(
2007
).
32.
R.
Chemam
,
J. J.
Grob
, and
A.
Bouabellou
,
Mater. Sci. Eng. B
150
,
26
(
2008
).
33.
F. L.
Bregolin
,
M.
Behar
,
U. S.
Sias
, and
E. C.
Moreira
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. B
267
,
1321
(
2009
).
34.
M.
Makhavikou
,
F.
Komarov
,
I.
Parkhomenko
,
L.
Vlasukova
,
O.
Milchanin
,
J.
Żuk
,
E.
Wendler
,
I.
Romanov
,
O.
Korolik
, and
A.
Togambayeva
,
Surf. Coat. Technol.
344
,
596
(
2018
).
35.
S. N. M.
Mestanza
,
E.
Rodriguez
, and
N. C.
Frateschi
,
Nanotechnology
17
,
4548
(
2006
).
36.
S.
Okamoto
,
Y.
Kanemitsu
,
K. S.
Min
, and
H. A.
Atwater
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1829
(
1998
).
37.
X. L.
Wu
,
T.
Gao
,
X. M.
Bao
,
F.
Yan
,
S. S.
Jiang
, and
D.
Feng
,
J. Appl. Phys.
82
,
2704
(
1997
).
38.
D.
Furong
,
D.
Shekui
, and
D.
Weizhong
,
Chin. Phys. Lett.
9
,
176
(
1992
).
39.
B.
Ravel
and
M.
Newville
,
J. Synchrotron Radiat.
12
,
537
(
2005
).
40.
J. J.
Rehr
and
R. C.
Albers
,
Rev. Mod. Phys.
72
,
621
(
2000
).
41.
M.
Newville
,
B.
Ravel
,
D.
Haskel
,
J. J.
Rehr
,
E. A.
Stern
, and
Y.
Yacoby
,
Phys. B
208–209
,
154
(
1995
).
42.
N. P.
Barradas
,
C.
Jeynes
, and
R. P.
Webb
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
291
(
1997
).
43.
L.
Bergman
,
M.
Dutta
, and
R. J.
Nemanich
, in
Raman Scattering in Materials Science
, edited by
W. H.
Weber
and
R.
Merlin
(
Springer Verlag
,
Berlin
,
2010
).
44.
A. C.
Arguello
,
D. L.
Rousseau
, and
S. P. S.
Porto
,
Phys. Rev.
181
,
1351
(
1969
).
45.
L.
Bergman
,
M.
Dutta
,
C.
Balkas
,
R. F.
Davis
,
J. A.
Christman
,
D.
Alexson
, and
R.
Nemanich
,
J. Appl. Phys.
85
,
3535
(
1999
).
46.
R. J.
Briggs
and
A. K.
Ramdas
,
Phys. Rev. B
13
,
5518
(
1976
).
47.
M.
Katsikini
,
J.
Arvanitidis
,
D.
Christofilos
,
S.
Ves
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
G.
Tsiakatouras
,
K.
Tsagaraki
, and
A.
Georgakilas
,
Phys. Status Solidi A
209
,
1085
(
2012
).
48.
K.
Filintoglou
,
M.
Katsikini
,
J.
Arvanitidis
,
D.
Christofilos
,
A.
Lotsari
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
N.
Vouroutzis
,
A. O.
Ajagunna
,
A.
Georgakilas
,
N.
Zoumakis
,
G. A.
Kourouklis
, and
S.
Ves
,
J. Appl. Phys.
117
,
075302
(
2015
).
49.
J.
Li
,
J.
Liu
,
L.-S.
Wang
, and
R. P. H.
Chang
,
Inorg. Chem.
47
,
10325
(
2008
).
50.
V.
Ganesh
,
S.
Suresh
,
E.
Celasco
, and
K.
Baskar
,
Appl. Nanosci.
2
,
169
(
2012
).
51.
H. D.
Li
,
S. L.
Zhang
,
H. B.
Yang
,
G. T.
Zou
,
Y. Y.
Yang
,
K. T.
Yue
,
X. H.
Wu
, and
Y. J.
Yan
,
J. Appl. Phys.
91
,
4562
(
2002
).
52.
K.
Filintoglou
,
P.
Kavouras
,
M.
Katsikini
,
J.
Arvanitidis
,
D.
Christofilos
,
S.
Ves
,
E.
Wendler
, and
W.
Wesch
,
Thin Solid Films
531
,
152
(
2013
).
53.
X.
Cailleaux
,
M.
del Carmen
,
M.
de Lucas
,
O.
Merdrignac-Conanec
,
F.
Tessier
,
K.
Nagasaka
, and
S.
Kikkawa
,
J. Phys. D Appl. Phys.
42
,
045408
(
2009
).
54.
H.
Siegle
,
G.
Kaczmarczyk
,
L.
Filippidis
,
A. P.
Litvinchuk
,
A.
Hoffmann
, and
C.
Thomsen
,
Phys. Rev. B
55
,
7000
(
1997
).
55.
H.-L.
Liu
,
C.-C.
Chen
,
C.-T.
Chia
,
C.-C.
Yeh
,
C.-H.
Chen
,
M.-Y.
Yu
,
S.
Keller
, and
S. P.
DenBaars
,
Chem. Phys. Lett.
345
,
245
(
2001
).
56.
J.
Zhang
and
L.
Zhang
,
J. Phys. D Appl. Phys.
35
,
1481
(
2002
).
57.
H.
Richter
,
Z. P.
Wang
, and
L.
Ley
,
Solid State Commun.
39
,
625
(
1981
).
58.
I. H.
Campbell
and
P. M.
Fauchet
,
Solid State Commun.
58
,
739
(
1986
).
59.
L. C.
Cai
,
H.
Chen
,
C. L.
Bao
,
Q.
Huang
, and
J. M.
Zhou
,
J. Cryst. Growth
253
,
112
(
2003
).
60.
S.
Huang
,
H.
Xiao
, and
S.
Shou
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
4547
(
2009
).
61.
P.
Nandakumar
,
C.
Vijayan
,
M.
Rajalakshmi
,
A. K.
Arora
, and
Y. V. G. S.
Murti
,
Physica E
11
,
377
(
2001
).
62.
H.
He
,
M. A.
Blanco
, and
R.
Pandey
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
261904
(
2006
).
63.
R. B.
Greegor
and
F. W.
Lylte
,
J. Catal.
63
,
476
(
1980
).
64.
S.
de Panfilis
,
F.
d’Acapito
,
V.
Haas
,
H.
Konrad
,
J.
Weissüller
, and
F.
Boscherini
,
Phys. Lett. A
207
,
397
(
1995
).
65.
M.
Borowski
,
J. Phys. IV France
7
(
C2
),
259
(
1997
).
66.
A.
Kuzmin
and
J.
Chaboy
,
IUCrJ
1
(
Pt. 6
),
571
(
2014
).
67.
A.
Jentys
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
1
,
4059
(
1999
).
68.
T.
Miyanaga
,
M.
Nakamae
,
H.
Nago
,
Y.
Ohori
, and
T.
Fujikawa
,
e-J. Surf. Sci. Nanotech.
10
,
565
(
2012
).
69.
F.
Fujimoto
and
K.
Komaki
,
J. Phys. Soc. Jpn.
25
,
1679
(
1968
).
70.
G.
Dalba
,
P.
Fornasini
,
R.
Grisenti
,
D.
Pasqualini
,
D.
Diop
, and
F.
Monti
,
Phys. Rev. B
58
,
4793
(
1998
).
71.
M.
Katsikini
,
F.
Pinakidou
, and
E. C.
and Paloura
,
Phys. Status Solidi C
10
,
93
(
2013
).
72.
O.
Ambacher
,
F.
Freudenberg
,
R.
Dimitrov
,
H.
Angerer
, and
M.
Stutzmann
,
Jpn. J. Appl. Phys.
37
,
2416
(
1998
).
73.
M. A.
Rana
,
H. W.
Choi
,
M. B. H.
Breese
,
T.
Osipowicz
,
S. J.
Chua
, and
F.
Watt
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
743
,
L11.28
(
2002
).
74.
H. W.
Choi
,
M. G.
Cheong
,
M. A.
Rana
,
S. J.
Chua
,
T.
Osipowicz
, and
J. S.
Pan
,
J. Vac. Sci. Technol. B
21
,
1080
(
2003
).
75.
M. A.
Rana
,
T.
Osipowicz
,
H. W.
Choi
,
M. B. H.
Breese
, and
S. J.
Chua
,
Chem. Phys. Lett.
380
,
105
(
2003
).
You do not currently have access to this content.