2단계 냉각 프로세스에 의해 InGaN 에피택셜 층 표면에 성장한 균일한 크기의 인듐 양자점

결과 및 토론

InGaN 층의 비정상적인 표면 지형은 2단계 냉각 프로세스를 통해 GaN 템플릿의 단일 InGaN 층에서 성장했을 때 발견되었습니다. 1단계 냉각 및 2단계 냉각을 사용한 InGaN 샘플의 AFM 표면 형태는 각각 그림 2a 및 b에 나와 있습니다. 그림 2a는 InGaN 에피층의 일반적인 표면 형태를 보여주며, 이로부터 InGaN 층이 2D 성장의 명확한 단계를 가지고 있음을 알 수 있습니다. 동시에, GaN 층의 나사 전위선과 관련하여 샘플 표면에 많은 3D 섬이 존재합니다. 또한 나사 전위를 따라 형성된 v-pit으로 입증된 각 3D 섬의 상단에 어두운 점이 있음을 알 수 있습니다[13, 14]. 그림 2a와 달리 그림 2b에는 단차 유동 표면과 3D 아일랜드를 제외하고 균일한 크기의 양자점(그림의 작은 흰색 점)도 많이 있습니다. 표면의 3D 다이어그램인 왼쪽 상단 모서리에 있는 그림 2b의 삽입과 결합하여 이러한 양자점의 평균 크기는 약 100 nm × 100 nm이고, 평균 높이는 약 20 nm이며, 밀도는 약 1.6 × 10 ⁸ 입니다. cm ⁻² . 이 두 가지 샘플 냉각 방식의 주요 차이점은 H₂ N₂ 대신 운반 가스로 사용됩니다. 2단계 냉각 과정의 두 번째 냉각 기간에. 따라서 InGaN 층의 표면에 양자점의 형성은 캐리어 가스 H₂와 관련이 있습니다. 저온 냉각 과정에서.

a의 AFM 표면 지형 1단계 냉각 및 b가 있는 InGaN 샘플 삽입이 표면의 3D 다이어그램인 2단계 냉각 프로세스가 있는 InGaN 샘플

InGaN 샘플에서 2단계 냉각 프로세스를 수행할 때 이것이 어떻게 발생하는지 이해하기 위해 InGaN 대신 GaN에서 2단계 냉각 실험을 수행합니다. 이 GaN 층은 이 연구에서 연구한 단일 InGaN 층 샘플과 동일한 조건, 즉 740°C 및 N₂의 비교적 낮은 성장 온도에서 성장되었습니다. 캐리어 가스로 사용됩니다. 2단계 냉각 공정 후의 GaN 층의 AFM 표면 형상이 그림 3a에 나와 있습니다. 표면에 양자점이 존재하지 않으며 표면이 널리 보고된 바와 같이 MOCVD 성장 GaN 층 샘플을 1단계 냉각하는 것과 동일하다는 것을 알 수 있습니다[15]. 또한 In 함량이 1%에 불과한 In 함량이 매우 낮은 InGaN 층 샘플에 대해 2단계 냉각 공정을 사용할 경우 어떤 일이 발생하는지 확인했습니다. 그림 3b는 2단계 냉각 프로세스 후 In 함량이 낮은 이 InGaN 샘플의 AFM 표면 형태를 보여줍니다. In 함량이 약 13%인 위에서 언급한 In 함량이 높은 InGaN 샘플에 비해 양자점의 밀도 감소가 매우 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 2단계 냉각 과정에서 InGaN층 표면에 양자점이 형성되는 것이 In 원자와 상관관계가 있음을 의미하며, 이들 양자점은 InGaN 사이의 반응에 의해 형성되는 In 상태 중 하나일 수 있다. 층 및 운반 가스 H₂ 2차 냉각 중입니다.

2단계 냉각을 사용한 샘플의 AFM 표면 지형. 아 GaN 층. ㄴ In 함량이 1%인 InGaN 층

이전 연구에서는 InGaN 층 성장 과정에서 In 원자의 세 가지 다른 상태가 존재함을 보여주었습니다[16, 17]. 첫 번째는 InGaN 층 성장의 주요 부분이자 목표 제품인 InGaN 합금 결정 격자의 In 원자입니다. 두 번째는 InGaN 층의 표면에 항상 나타나는 InN 합금입니다. 세 번째는 특별한 성장 조건에서 나타날 수 있는 In 액적입니다. In 원자의 다른 상태는 ω/2θ 스캔 모드에서 회절 피크가 다르기 때문에 XRD 스펙트럼으로 구별할 수 있습니다. 이 점이 속하는 In 상태를 결정하기 위해 1단계 또는 2단계 냉각 프로세스로 InGaN 샘플에 대해 XRD 측정이 수행되었습니다. 그림 4는 2단계 냉각(빨간색 선) 및 1단계 냉각(파란색 선)이 있는 샘플의 일반적인 XRD ω/2θ 스펙트럼을 보여줍니다. 2단계 냉각을 사용한 샘플에서는 3개의 특징적인 피크가 발견되었지만 1단계 냉각을 사용한 샘플에서는 2개의 특징적인 피크만 발견되었습니다. 따라서 2단계 냉각이 적용된 샘플의 추가 특성 피크는 표면에 형성되는 양자점을 나타낼 수 있습니다. 이 샘플에 일반적으로 존재하는 두 가지 특징적인 피크는 약 33.5°와 34.5°에 있습니다. 그들은 각각 InGaN 및 GaN 결정에 속합니다. 2θ =32.8°에 위치한 추가 특성 피크는 In 액적에서 비롯된 것으로 확인되었습니다[16, 17]. 따라서 우리는 2단계 냉각 과정을 통해 InGaN 표면에서 관찰한 양자점이 In 액적이라는 결론을 내릴 수 있습니다. 이 결론을 확인하기 위해 2단계 냉각 공정으로 샘플에 대해 SEM 측정을 수행했으며 그 결과가 그림 5a에 나와 있으며, 이로부터 표면에 점이 존재한다는 것도 확인할 수 있습니다. 이 점을 식별하기 위해 EDS가 같은 위치에서 수행되었습니다. 그림 5b–d는 각각 In, Ga 및 N의 표면 원자 분포를 보여줍니다. 여기서 Ga 및 N의 원자가 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있습니다. 표면은 점의 In 원자 농도가 주변보다 훨씬 더 크며, 이는 이 점이 In이 풍부함을 나타냅니다. 따라서 위의 분석과 결합하여 캐리어 가스 H₂ 저온에서 InGaN 층과 반응하여 표면에 In 방울을 형성할 수 있습니다.

2단계 냉각(빨간색 선) 및 1단계 냉각(파란색 선)이 있는 샘플의 XRD 스펙트럼

아 2단계 냉각 프로세스를 사용한 샘플의 SEM 표면 사진, b –d In, N, Ga 각각에 대한 EDS 원소 분석 결과입니다.

표면 당김 효과로 인해 InGaN 에피택셜 층의 표면에 In-rich 층이 종종 형성되는 것으로 보고되었다[10]. 우리의 실험에서 샘플은 단일 InGaN 층의 성장 후 실온으로 직접 냉각되었는데, 이는 냉각 과정에서 In이 풍부한 표면층이 여전히 표면에 존재한다는 것을 의미합니다. 따라서 우리가 관찰한 In QD에 대한 In 원자의 기원에는 각각 InGaN 층과 In이 풍부한 표면 층의 두 가지 가능성이 있습니다. In 양자점의 In 원자의 기원과 반응이 어떻게 일어나는지 알기 위해 추가 실험이 수행되었습니다. 어닐링 공정은 In-rich 층을 제거할 수 있는 것으로 알려져 있습니다[18]. 따라서 우리는 2단계 냉각 프로세스 전에 InGaN 샘플에 대해 열 어닐링 프로세스를 수행합니다. 열처리 시간은 60 s로 설정하고 온도는 약 800 °C로 InGaN층의 성장 온도보다 60° 높다. 2단계 냉각 프로세스 이전에 어닐링 프로세스가 적용된 InGaN 샘플의 AFM 형상이 그림 6에 나와 있으며, 분명히 표면에 양자점이 없습니다. 그러나 Fig. 2a와 비교하여 표면 지형의 큰 변화를 볼 수 있으며, 표면은 더 거칠어진다. 표면에 In 양자점이 없다는 것은 InGaN 층이 H₂를 갖는 In QD를 형성하지 않을 것임을 보여줍니다. 두 번째 냉각 과정에서 열 어닐링은 In-rich 층만 닦아낼 수 있기 때문입니다. 따라서 2단계 냉각 과정에서 InGaN 층 표면에 In 양자점이 형성되는 것은 In-rich 표면층과 캐리어 가스 H₂ 사이의 반응에 의한 것입니다. 저온 범위에서.

2단계 냉각 전 열처리를 한 InGaN 층의 AFM 표면 지형

H₂의 부식 효과 InGaN 층의 성장에 대해 크게 보고되었습니다. H₂ In 원자가 격자에 통합되는 것을 방해할 수 있으며 [19, 20], 이것이 일반적으로 N₂ InGaN 층의 MOCVD 성장에서 캐리어 가스로 사용됩니다. H₂의 부식 효과 InGaN 층에서 다음과 같은 화학 반응으로 표현될 수 있는 InGaN 층 성장의 역 과정으로 볼 수 있습니다.

2단계 냉각 공정에서 In 양자점의 형성은 일종의 부식 효과로 볼 수 있지만 고온(H₂으로 InGaN을 성장시키기 위한 ) 및 저온(InGaN을 냉각하고 H₂로 In QD를 형성하기 위해) ). 고온에서 표면 부식 효과에 의해 형성된 In 원자는 표면 경계층을 가로질러 탈출하기에 충분한 에너지를 가지므로 In 혼입 효율이 감소합니다. 그러나 낮은 온도(400 °C 미만)에서 우리의 결과는 H₂ 이 층이 InGaN 층보다 더 불안정하기 때문에 In-contained 표면 층에만 부식 효과가 있습니다. 반면에 온도가 400 °C 미만이면 표면에 형성된 In 원자가 적시에 표면 경계를 넘어 훨씬 덜 빠져나갈 수 있으므로 샘플 표면으로 이동한 다음 표면에 In 방울을 형성합니다.

우리 연구에서 In QD의 형성은 InGaN 표면의 높은 In 함유 층과 관련이 있으므로 InGaN의 표면 In-rich 층에 대한 일부 정보를 직접 제공할 수 있습니다. In 함량과 두께가 다른 InGaN 층 샘플은 2단계 냉각 처리 실험에 사용됩니다. 그림 7은 In 함량과 두께가 다른 InGaN 층의 표면 형상을 보여줍니다. In 함량은 샘플 A, B 및 C에 대해 각각 7.65%, 8.45% 및 9.6%이고, 이 세 샘플에 대한 InGaN 층의 두께는 거의 동일(약 13.4 nm)입니다. 샘플 A, B, C의 AFM 표면 형태로부터 In QD의 밀도가 InGaN 층의 In 함량에 따라 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 QD의 밀도는 약 2.4 × 10 ⁷ 입니다. cm ⁻³ , 4.8 × 10 ⁷ cm ⁻³ 및 9.2 × 10 ⁷ cm ⁻³ 샘플 A, B 및 C에 대한 QD의 크기는 각각 거의 동일합니다. 반면, 샘플 D는 샘플 A(7.65%)와 동일한 In 함량을 갖는 반면 층 두께는 약 41 nm입니다. A와 D의 두 샘플에 대한 표면을 비교하면, InGaN 층의 두께가 증가할 때 In 양자점의 밀도가 증가하는 것이 분명합니다. 위에서 언급한 우리의 분석에서 이러한 In 양자점의 형성은 H₂의 반응에 의해 발생한다는 것을 알게 되었습니다. 저온에서 풍부한 표면층으로. 따라서 In QD 밀도의 변화 경향은 In-rich 표면층의 상태, 즉 In-rich 표면층에 존재하는 불안정한 In 원자를 반영할 수 있으며, In 함량 및 InGaN의 두께 증가와 함께 증가한다. 층. 이 결과는 In이 풍부한 표면층의 In 함량이 In 함량 및 InGaN 층의 두께와 관련이 있다는 이전의 이론적 연구와 일치합니다[21]. 이것은 또한 In 양자점의 형성 메커니즘이 실제로 In-rich 층의 표면과 관련이 있음을 증명합니다.

InGaN 층의 AFM 표면 지형 a , b , ㄷ , 및 d 내용과 두께가 다름(텍스트 참조)