구조적 및 광학적 특성 개선을 위한 H2/NH3 혼합 가스에서 GaN 기반 다중 양자 우물의 원자 재배열

결과 및 토론

그림 1은 실온(300K)에서 측정된 3개의 샘플의 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 발광 특성을 효과적으로 비교하기 위해 분광계의 슬릿 폭, 적분 시간 및 검출기의 이득 전압과 같은 동일한 조건에서 세 가지 샘플의 PL 스펙트럼을 측정했습니다. 100sccm 수소로 처리된 샘플 B의 메인 피크의 PL 강도가 3개의 샘플 중 가장 높다는 것을 알 수 있다. 샘플 C의 PL 피크 강도는 샘플 B보다 약하지만 샘플 A보다 강합니다. 세 샘플 모두의 주 피크 파장은 약 455nm이며, 이는 InGaN/GaN MQW의 대역간 전이 에너지에 해당합니다. 더 높은 에너지 측면에서는 GaN의 밴드 갭 발광에 해당하는 약 365nm에 작은 피크가 나타납니다. 결과는 수소 처리 중 적절한 수소 플럭스(100sccm)가 발광 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주지만 너무 높은 수소 플럭스(200sccm)를 사용할 경우 발광 성능이 약간 저하됩니다.

300K에서 3개 샘플의 PL 스펙트럼. 100sccm 수소로 처리된 샘플 B의 발광 강도는 3개 샘플 중 가장 강함

수소 처리 중 MQW 영역에 어떤 일이 발생하는지 조사하기 위해 세 가지 샘플의 단면 투과 전자 현미경(TEM) 이미지가 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2에서 세 가지 핵심 사항에 주목해야 합니다. 먼저 QW 레이어 간의 계면 샘플 A의 QB 레이어는 물결 모양이며 QW 두께는 빨간색 점선으로 표시된 대로 크게 다릅니다. 그러나 샘플 B와 C에서 MQW의 인터페이스는 가파르고 평평하며 그림 2에서 명확하게 구분할 수 있습니다. 샘플 B와 C의 QW 두께 변동은 작습니다. 둘째, 샘플 A의 QW 층의 원자 분포는 균일하지 않지만 빨간색 화살표로 표시된 바와 같이 우물 층 표면의 일부 위치 근처에서 응집되는 경향이 있습니다. QB와 QW 층의 유일한 차이점은 인듐 함량뿐이므로 응집된 원자는 인듐 편석으로 인해 발생해야 합니다. 이러한 현상은 실제로 이전 보고서에서 관찰되었다[11]. 원자의 응집은 샘플 B와 샘플 C에서 발견되지 않습니다. 셋째, 샘플 B와 비교하여 녹색 화살표로 표시된 것처럼 인터페이스는 샘플 C에서 중단이 있습니다. 요약하면, 수소 처리에 100sccm 플럭스를 사용하면 MQW의 계면이 가파르고 평평해질 뿐만 아니라 인듐 원자의 분포가 더 균일해집니다. 그러나 수소 플럭스가 200sccm로 증가하면 인터페이스에 다시 중단이 나타납니다. 샘플 B에 표시된 MQW 레이어의 균일성은 일반적으로 온도 상승 프로세스 후에만 달성할 수 있습니다[19]. 그러나 여기에서는 수소 처리 공정을 통해 저온(750°C)에서 MQW의 균일성을 얻을 수 있습니다.

샘플 A, B 및 C의 단면 TEM 이미지. 샘플 A의 이미지에서 빨간색 점선은 물결 모양의 MQW 인터페이스를 표시하고 빨간색 화살표는 MQW의 인듐이 풍부한 클러스터를 가리킵니다. 샘플 C의 이미지에서 녹색 화살표는 MQW의 손상된 부분 인터페이스를 가리킵니다.

MQW 영역의 품질에 영향을 미치는 수소 처리 메커니즘을 이해하려면 먼저 수소 처리를 하지 않은 샘플 A에서 MQW 품질이 악화되는 이유를 파악해야 합니다. GaN의 적절한 증착 온도는 GaN 에피택셜 층의 성장 모드가 단계적 흐름 모드가 되는 경향이 있는 1000 °C 이상입니다[26, 27]. 그러나 현재 750°C만큼 낮은 InGaN/(In)GaN MQW의 낮은 증착 온도로 인해 Ga 원자는 제한된 원자 표면 이동성으로 인해 계단 가장자리로 이동하기 어렵습니다. 그 결과, GaN 배리어층의 성장 모드는 3D 섬 성장 모드인 경향이 있고 에피택셜 층은 준안정 열역학적 상태에 있다[28]. 따라서 표면은 그림 2의 빨간색 점선으로 개략적으로 표시된 것처럼 쉽게 기복이 있습니다. 반면에 샘플 A에서는 인듐 원자가 QW 표면에 인듐이 풍부한 클러스터로 응집되는 것으로 나타났습니다. 이러한 행동은 주로 GaN과 InN 사이의 큰 불일치로 인해 발생하는 GaN과 InN 사이의 큰 혼화성 격차에 기인합니다[15].

수소 처리 과정에서 암모니아(NH₃ )는 여전히 반응 챔버에 도입되었습니다. 이전 보고서에 따르면 NH₃의 표면 적용률 함량은 상대적으로 낮고(약 25%) 커버리지의 주요 구성은 NH₂ 라디칼(약 75%) [28, 29]. NH₃의 낮은 커버리지에서 , 갈륨(Ga)/인듐(In) 원자의 표면에 대한 결합 에너지가 상대적으로 높아 표면 확산 속도가 낮고 원자의 탈착이 약하다[29, 30]. 왜냐하면 H₂ 암모니아 분해의 산물이며 NH₃의 분해율 NH₃의 표면 범위가 감소하고 수소 처리 과정에서 증가하여 결과적으로 NH₃의 범위 증가로 인한 갈륨/인듐 원자의 결합 에너지 약화 갈륨/인듐 원자의 표면 확산 속도 및 탈착을 향상시킵니다. 한편, 수소는 100초 동안 반응 챔버에 도입되어 갈륨 및 인듐 원자가 더 먼 확산 길이를 가질 수 있도록 합니다. 따라서 갈륨 및 인듐 원자는 열역학적 정상 상태를 달성하기가 더 쉽고 인터페이스가 평평하고 가파르게 됩니다. 또한, H₂의 혼합 가스 환경에서 및 NH₃ , 인듐이 풍부한 클러스터는 인듐이 부족한 지역보다 더 쉽게 탈착됩니다[31]. 따라서 인듐 함량의 분포는 전체 우물 층에 걸쳐 보다 균일하게 되어 샘플 B의 MQW 균질성이 더 좋아집니다. 그러나 과도한 수소 플럭스(200sccm)가 반응 챔버에 도입되면 인듐의 탈착이 그림 2에서 샘플 C의 단면 TEM 이미지에서 볼 수 있듯이 인듐 원자는 더 증가하고 QW 레이어는 수소의 에칭 효과로 인해 부분적으로 손상됩니다[32].

Czernecki et al. 장벽과 우물 층의 성장 사이에 수소 처리가 수행되면 양자 우물이 에칭되고 물결 모양이 된다고 보고했습니다[28]. 그러나 이러한 종류의 에칭 효과는 우리 작업에서 관찰되지 않았습니다. 차이가 나는 데에는 크게 두 가지 이유가 있다고 가정합니다. 첫째, 낮은 온도와 적은 양의 수소 플럭스로 인해 에칭 효과로 이어질 수소 이온이 적습니다. 둘째, 수소 처리 전에 얇은 GaN 캡 층이 QW 층에 증착되어 InGaN 우물 층을 에칭 효과로부터 보호할 수 있습니다. 따라서 NH₃의 혼합 가스에서 및 H₂ , 이러한 종류의 원자 재배열 과정으로 인해 MQW가 균일해집니다.

TEM 이미지의 크기가 나노미터이므로 Rigaku SmartLab 고해상도 X선 회절계(HRXRD)로 더 큰 규모의 구조 특성을 조사합니다. (0002)의 ω-2θ 스캔 곡선은 그림 3과 같으며 InGaN/GaN MQW의 매개변수는 표 1과 같이 Global Fit 프로그램을 사용하여 측정된 ω-2θ 스캔 곡선을 피팅하여 얻습니다. 샘플 B는 InGaN 우물 층의 상대적으로 낮은 인듐 함량을 제외하고 샘플 A와 유사한 구조 매개변수를 가지고 있습니다. 샘플 B에 대한 QW의 인듐 함량 감소는 주로 수소의 에칭 효과에 기인합니다. 또한, H₂의 과반응 효과로 인해 샘플 C에서 인듐 함량뿐만 아니라 QW의 두께도 분명히 감소했습니다. 치료. 또한 샘플 C의 인듐 함량과 QB 층의 두께가 샘플 A 및 B에 비해 분명히 증가한다는 점에 주목해야 합니다. 수소 플럭스가 수소 처리 중에 지나치게 높을 때 탈착된 인듐 원자의 일부가 혼입될 것임을 입증합니다. QB로 더 큰 두께와 QB 층의 인듐 함량을 초래합니다.

고해상도 X선 회절계(HRXRD)로 측정한 시료 A, B, C의 (0002)에 대한 ω-2θ 스캔 곡선

구조 특성에 대한 수소 처리의 영향은 TEM 이미지와 XRD를 통해 자세히 논의되었습니다. 다음 여러 섹션에서 구조 속성의 변화가 광학 속성에 미치는 영향에 대해 더 자세히 연구할 것입니다.

그림 4는 30K에서 측정된 PL 스펙트럼과 3개 샘플의 일부 PL 기능을 비교한 결과를 보여줍니다. 약한 캐리어의 전달 능력과 저온에서 비복사 중심의 억제로 인해 30K에서 PL의 결과는 일반적으로 MQW에서 복사 재결합 중심의 광학 특성을 특성화하는 데 사용됩니다. 그림 4a에서 측면 피크는 세 가지 샘플 모두에 대한 PL 스펙트럼에 분명히 표시됩니다. 사이드 피크와 메인 피크 사이의 에너지 갭은 약 90meV이며, 이는 GaN의 광-포논 에너지에 가깝습니다. 따라서 측면 피크가 포논 복제물이라고 말하는 것이 안전합니다[33]. 그림 4b에서 보는 바와 같이 샘플 A의 피크 에너지는 샘플 B와 C의 피크 에너지보다 훨씬 낮아 HRXRD의 결과와 잘 일치한다. 그러나 샘플 C의 피크 에너지는 샘플 B의 피크 에너지보다 약간 낮습니다. 이는 샘플 C의 MQW 균일성이 불량하기 때문일 수 있습니다. 그림 4c는 30K에서 PL 스펙트럼의 FWHM(전폭)을 보여줍니다. 샘플 A, B, C의 PL 스펙트럼의 FWHM은 각각 12.3nm, 10.1nm, 12.6nm로, 샘플 B가 최고의 발광 균일도를 가지고 있음을 나타냅니다. 샘플 C의 FWHM은 샘플 A의 FWHM과 동일한 수준이며, 이는 MQW 인터페이스의 불연속성이 발광 중심의 균일성을 심각하게 악화시킴을 의미합니다.

30K의 PL 스펙트럼(a ); 피크 에너지(b ) 및 FWHM(c ) PL 스펙트럼의 가우스 피팅을 통한 샘플 A, B 및 C의

3개의 샘플의 발광 특성을 추가로 확인하기 위해 그림 5a는 3개의 샘플에 대한 온도 대 PL 스펙트럼의 피크 에너지 곡선을 보여줍니다. 모든 샘플의 피크 에너지는 파란색으로 먼저 이동한 다음 온도가 증가함에 따라 빨간색으로 이동합니다. 잘 알려진 바와 같이, 반도체 재료에서 피크 에너지는 밴드 갭 수축 효과로 인해 온도가 증가함에 따라 적색으로 이동합니다. 그러나 GaN 기반 MQW에서는 온도가 증가함에 따라 피크 에너지의 청색 이동이 관찰되었습니다. 이러한 청색 이동은 QW에서 국부적 상태의 다른 에너지 분포로 인해 발생합니다. 온도가 상승하면 캐리어는 깊은 국부 상태에서 얕은 국부 상태로 이동합니다. 후자의 에너지 위치는 더 높은 위치에 있습니다[34, 35]. 따라서 청색 편이가 클수록 국부 상태의 분포가 더 불균일합니다. 그림 5b와 같이 샘플 A는 3개의 샘플 중 가장 큰 청색 편이를 갖고, 샘플 B는 가장 낮은 청색 편이를 나타내어 샘플 B가 3개의 샘플 중에서 MQW의 국부화 상태의 가장 균일한 분포를 가짐을 나타냅니다. 그림 2의 TEM 이미지 결과와 결합하면 두 가지 측면이 샘플 A의 불균일성으로 이어집니다. 즉, 우물 두께의 더 큰 변동과 불균일한 인듐 조성입니다. 또한 샘플 C는 160K인 다른 적색 편이 전환 온도를 갖는 반면 샘플 A와 샘플 B는 200K이므로 처리 중 과도한 수소 플럭스가 그림 2와 같이 과도한 수소에 의해 MQW 계면이 부분적으로 손상됨을 감안할 때 청색 편이 증가의 원인이기도 하다. 문헌에 보고된 바와 같이 적색편이는 저온 단계에서도 종종 나타나지만[34], 이 연구에서는 관찰되지 않는다. 이는 캐리어가 얕은 트랩에서 깊은 트랩으로 운송되는 것을 방해하는 낮은 잠재적 장벽 높이 때문일 수 있습니다.

아 샘플 A, B 및 C에 대한 피크 에너지 대 온도 곡선; 화살표는 적색 편이 회전 온도를 나타냅니다. ㄴ 샘플 A, B 및 C의 청색 편이량; 그리고 샘플 B는 청색 편이가 가장 적습니다.

TDPL의 한계는 방출 특성의 공간 분해능이 부족하기 때문에 샘플의 전체 발광 특성만을 특성화한다는 것입니다. 따라서 샘플 A, B 및 C의 마이크로 PL이 각각 측정되어 그림 6a-c에 표시됩니다. 유의하게, 샘플 A에서 비발광 영역의 수와 크기가 가장 큽니다. 100sccm 수소 처리 공정 후, 비발광 영역은 Fig. 6b와 같이 확실히 훨씬 감소되었다. B. 인듐 원자는 전위 결함 주위에 축적되는 경향이 있어 그 영역 주변의 캐리어에 강한 제한 효과가 발생하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 수소 처리 과정에서 더 큰 표면 확산 속도와 탈착 과정은 인듐이 풍부한 클러스터의 응집을 제거합니다. 따라서 샘플 B는 비발광 영역이 더 적습니다. 그러나 과도한 수소 플럭스(200sccm)가 반응 챔버에 도입되면 그림 6c의 빨간색 화살표가 가리키는 것처럼 몇 개의 작은 비발광 영역이 마이크로 PL 이미지에 다시 나타납니다. 주로 그림 2와 같이 MQW 영역이 부분적으로 손상되어 발생합니다.

(a ), (b ) 및 (c ), 각각. 빨간색 화살표는 샘플 C에서 크기가 작은 비방사 발광 영역을 나타냅니다.

이상의 결과와 논의를 통해 시료 B는 가장 균일한 발광 특성과 가장 적은 비방사성 재결합 면적을 갖는다. 이러한 광학적 특성은 그림 1의 가장 강한 발광 강도와 매우 잘 일치합니다. 세 가지 샘플의 성능을 추가로 확인하기 위해 내부 양자 효율(IQE)을 계산하는 근사화 방법이 제시되었습니다. 30K에서 내부 양자 효율을 100%로 가정하면 실온에서 IQE는 다음 식으로 대략적으로 계산할 수 있습니다.

나 _300K 300K에서 PL 스펙트럼의 통합 강도를 나타내고 I _30K 는 30K에서 PL 스펙트럼의 통합 강도를 나타냅니다. 3개의 샘플에 대한 IQE의 결과는 그림 7에 나와 있습니다. IQE는 수소 처리 중에 적절한 수소 플럭스를 사용할 때 1.61%에서 30.21%로 크게 증가합니다. 샘플 B의 IQE가 크게 증가한 주된 이유는 인듐 조성과 MQW 두께의 더 나은 균일성과 위에서 논의한 바와 같이 감소된 비방사성 재결합 중심 때문입니다. 반면에 수소의 과도한 플럭스(200sccm)를 사용할 때 IQE는 30.21%에서 18.48%로 감소하는데, 이는 주로 부분적으로 손상된 MQW에 기인합니다.

샘플 A, B, C의 내부 양자 효율(IQE). 샘플 B의 IQE는 30.21%로 높습니다.