인장 응력 공학으로 InGaN/GaN 양자우물 LED의 광발광 향상: 실리콘 기판 위

초록

본 연구는 실리콘 기판 상에 성장한 InGaN/GaN 다중 양자우물(MQW) LED의 광발광 성능을 조사한다. 소자는 n형 GaN 층 내 주기적 실리콘 δ-도핑 또는 InGaN/AlGaN 스페이서 층 삽입과 같은 뚜렷한 인장 응력 제어 아키텍처를 포함하여 변형 매개 재결합 메커니즘을 탐구한다. PL 측정 결과, 인장 응력이 완화된 시료는 기준 구성 대비 7배 증가한 17%의 외부 양자 효율을 보였다. 상세 분석에서는 비복사 재결합 속도가 (2.5~2.8)×10⁻² s⁻¹로 일반 시료의 (3.6~4.7)×10⁻² s⁻¹보다 낮았으며, 복사 재결합 속도도 실온에서 (5.7~5.8)×10⁻³ s⁻¹ 대 (9~7)×10⁻⁴ s⁻¹로 향상되었다. 이러한 개선은 MQW 계면의 얕은 국소 상태가 억제되어 InGaN 층 내 깊은 복사 중심이 재결합 과정을 지배하게 된 데 기인한다.

배경

기존 사파이어 대신 실리콘 기판 위 InGaN/GaN MQW 구조는 저비용 고체 조명, 디스플레이 패널, 실리콘 포토닉스 구현 가능성으로 주목받고 있다[1-5]. 주요 과제는 GaN과 Si 간 56% 열팽창 계수 불일치로 인한 상당한 인장 응력과 GaN 박막 균열 발생이다[6-9]. LED와 레이저 다이오드에는 Si 도핑 n형 GaN 층이 필수적인데, 이는 추가 인장 응력을 가한다. 최근 이를 완화하기 위한 노력으로 적절한 압축 응력을 가진 중간층 사용[10-16], δ-도핑을 통한 변형 완화[17,18], 격자 매칭 버퍼층[19,20] 등이 있다. n형 GaN 층 내 주기적 Si δ-도핑은 균일 도핑 GaN 대비 더 매끄러운 GaN 층, 높은 결정 품질, 낮은 균열 밀도를 보이며, 주로 인장 응력 완화 덕분이다[17]. δ-도핑 GaN의 표면 형태, 전위 밀도, 전기적 특성에 대한 연구는 사파이어나 실리콘 위에서 여럿 보고되었으나[21-23], InGaN/GaN MQW에서 발광 효율과 변형 완화의 직접적 상관관계는 드물며, 이는 소자 최적화에 필수적이다. 간접 변형 측정법(기계적 압력으로 압전장 조절 등)이 표준으로 쓰이는데, 시료 손상 없이 직접 측정하기 어렵기 때문이다[24-27]. 모든 경우 광발광 스펙트럼은 변형 관련 소자 성능 평가에 필수적이다.

본 연구에서는 결정질 실리콘 기판 위에 InGaN/GaN MQW LED 구조를 증착했다. 균일 Si 도핑 n형 GaN 층과 주기적 Si δ-도핑 층을 비교했으며, 추가로 균일 도핑 n형 GaN 위에 얇은 AlGaN(압축) 또는 InGaN(인장) 스페이서 층을 삽입하여 압축/인장 응력이 소자 성능에 미치는 영향을 추가로 탐구했다. 온도 의존 정상 상태(SS) PL과 시간 분해(TR) PL 스펙트럼으로 각 시료의 상대 PL 효율과 재결합 수명을 얻어 변형 제어 재결합 메커니즘을 체계적으로 분석했다.

방법

도 1에 도시된 바와 같이 InGaN/GaN MQW 에피택셜 성장은 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD)으로 수행되었으며, Ref.[17] 프로토콜을 따랐다. Si(111) 기판 위 성장 순서는 100nm AlN 핵화층, 660nm 선형 그레이드 AlGaN 버퍼, 200nm 비의도적 비도핑 GaN 버퍼로 각각 1060°C, 1060°C, 1020°C에서 성장했다. 시료 S1, S3, S4에는 1µm Si 균일 도핑 n형 GaN 층(약 10¹⁸ cm⁻³)을 버퍼 위에 증착했다. S3, S4에는 n형 층 후 20nm InGaN 스페이서(약 10 at% In) 또는 20nm AlGaN 스페이서(약 20 at% Al)를 삽입했다. 시료 S2는 20주기 Si δ-도핑 후 50nm 비의도적 비도핑 GaN으로 총 1µm 두께를 이뤘다. 이후 800°C에서 6주기 InGaN/GaN QW를 성장시켰으며, 인듐 조성 약 22 at%, 평균 우물/장벽 두께 2.4nm/10nm였다. 마지막으로 1020°C에서 220nm Mg 도핑 p형 GaN 층을 성장시켰다.

SSPL 측정은 Zolix-750 시스템으로 10mW 377nm 펄스 레이저 여기와 ANDOR Newton CCD(0.09nm 분해능)를 사용했다. TRPL 감쇠 곡선은 10-300K에서 시간 상관 단일 광자 계수 시스템으로 기록했다.

결과 및 논의

도 2는 10K에서 네 MQW 시료의 SSPL 스펙트럼을 보여준다. 스펙트럼은 GaN LED on Si에서 버퍼/Si 계면의 높은 반사율로 인한 파브리-페로 진동을 보인다[28-30]. 디콘볼루션(가우시안 PL 피크 × 1 + A cos(4πnd/λ)) 후 고유 PL 피크를 추출했다. 시료 S1은 ~22 at% InGaN 밴드갭과 일치하는 531nm의 날카로운 녹색 피크를 보인다. Si δ-도핑 시료 S2는 579nm로 적색 편이, InGaN 스페이서 S3은 517nm로 청색 편이, AlGaN 스페이서 S4는 545nm로 적색 편이되었다. 이 편이는 MQW 계면의 인장 응력이 방출을 청색 편이시키고, 변형 완화 메커니즘(δ-도핑, AlGaN 삽입)이 적색 편이시킴을 확인한다. Si δ-도핑의 변형 완화 효과가 단일 스페이서 층보다 현저히 강하다.

재결합 역학을 탐구하기 위해 각 시료의 피크 파장에서 10-300K TRPL 감쇠를 기록했다. 도 3은 S1의 대표 온도 감쇠 곡선이다. 단일 지수 모델(I(t)=I₀e⁻ᵗ/τ)은 단순화지만(다중 재결합 중심은 다중 지수 피팅 필요), 평균 수명 τ로 전체 PL 역학을 포착한다. S1-S4의 수명을 도 4a에, 재결합 속도 k=1/τ를 도 4b에 도시했다. 인장 응력 완화 시료 S2, S4는 모든 온도에서 낮은 k 값을 보여 총 재결합이 감소함을 나타낸다. 또한 k의 온도 의존성이 더 가파른데, 이는 고온에서 비복사 재결합이 지배적임을 반영한다. k와 상대 PL 효율 η(온도 T에서의 PL 강도를 0K 대비 비율로 정의)를 결합해 복사(kᵣ=kη)와 비복사(kₙᵣ=k(1-η)) 성분을 추출했으며, S2에 대해 도 5b에 예시했다.

도 5a는 상대 PL 효율의 온도 의존성이다. S2, S4는 최대 17% 효율로 일반 S1(2.5%)과 InGaN 스페이서 S3(1.6%)을 크게 상회한다. PL 강도는 복사 재결합만 반영하므로 η는 kᵣ/k 비율을 직접 측정한다. 모든 시료의 추출된 kᵣ, kₙᵣ을 도 6a, 6b에 요약했다. 300K에서 S2, S4의 비복사 속도는 (2.5-2.8)×10⁻² s⁻¹로 S1(3.6×10⁻² s⁻¹), S3(4.7×10⁻² s⁻¹)보다 현저히 낮아 변형 완화가 결함 매개 비복사 경로를 억제함을 확인한다. 반면 S2, S4의 복사 속도는 높고 온도 안정적(300K에서 ≈5.7-5.8×10⁻³ s⁻¹)으로 S1(9×10⁻⁴ s⁻¹), S3(7×10⁻⁴ s⁻¹) 대비 우수하다. kᵣ의 안정성은 InGaN 우물 내 깊은 복사 중심이 재결합을 지배하며, 인장 응력이 촉진하는 얕은 계면 상태가 변형 완화 구조에서 억제됨을 시사한다.

결론

실리콘 위 InGaN/GaN MQW의 온도 의존 SSPL, TRPL 연구에서 Si δ-도핑 또는 AlGaN 스페이서 도입이 총 재결합 속도를 크게 낮추고 PL 효율을 17%까지 높임을 보였다(일반 구조 2.5%, InGaN 스페이서 1.6%). 개선은 주로 낮은 비복사 속도(전위 및 균열 감소 기인)와 더 높고 안정적인 복사 속도(변형 완화 시 InGaN 우물 내 깊은 복사 중심 지배)에서 기인한다. 이러한 발견은 δ-도핑 또는 조성 스페이서를 통한 변형 공학으로 실리콘 위 MQW LED 성능 최적화의 명확한 경로를 제시한다.

약어

IQE

내부 양자 효율

LD

레이저 다이오드

LED

발광 다이오드

MQW

다중 양자 우물

PL

광발광

SSPL

정상 상태 광발광

TRPL

시간 분해 광발광