스레딩 전위 밀도가 AlN 굴절률에 미치는 영향: 나노스케일 변형장 효과

초록

알루미늄 질화물(AlN)의 굴절률은 AlGaN 기반 심자외선(DUV) 광전자 소자, 특히 LED 외부 양자 효율(EQE) 성능에 결정적 영향을 미칩니다. 고밀도 스레딩 전위(TDD)는 AlN에서 흔한 결함이나, 굴절률에 대한 정량적 효과는 잘 이해되지 않았습니다. 본 연구에서는 후성장 어닐링으로 TDD를 4.24×10⁸~3.48×10⁹ cm⁻² 범위로 체계적으로 변화시키고 분광 타원계(SE)로 해당 굴절률을 측정했습니다. TDD 증가에 따라 280 nm에서 굴절률이 2.2508에서 2.2102로 감소하여 전위가 AlN 광학 밀도를 낮춤을 확인했습니다. 나사형 및 모서리 전위 주변 나노스케일 변형장의 이론적 모델링은 국소 탄성 변형이 광탄성 응답을 교란하여 공간적으로 변하는 굴절률과 향상된 빛 산란을 유도함을 보여줍니다. 이러한 발견은 AlN 기판 기반 DUV LED, 레이저 다이오드, DBR 구조 최적화를 위한 중요한 설계 매개변수를 제공합니다.

서론

AlN과 그 합금은 3.4-6.2 eV 조절 가능한 직접 밴드갭을 제공하는 DUV 광전자공학의 주역입니다. AlN 굴절률은 전반사 임계각과 분산 브래그 반사경(DBR) 반사율을 통해 빛 추출 효율(LEE)을 직접 결정합니다. 결과적으로 굴절률을 변화시키는 모든 요인은 소자 출력 전력이나 스펙트럼 성능을 제한할 수 있습니다. 온도, 압력, 밴드갭이 AlN 광학 상수에 영향을 미침이 밝혀졌지만, 에피택셜 AlN 층에 만연한 스레딩 전위 역할은 정량화되지 않았습니다. 전형적 TDD가 10⁸~10⁹ cm⁻² 범위임을 고려할 때, 성장 최적화와 소자 설계를 안내하기 위해 전위가 굴절률에 미치는 영향을 확립하는 것이 필수적입니다.

방법

고품질 AlN 템플릿을 트리메틸알루미늄과 암모니아 전구체로 40 mbar 수소 흐름 하 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD)으로 c-사파이어 위에 성장시켰습니다. 1.1 µm AlN 막을 2단계 성장으로 제작: 955°C 핵생성층, 1280°C 고온 성장, 중간에 1050°C AlN 중간층 삽입. 후성장 어닐링을 1500, 1600, 1700, 1750°C에서 1시간 수행하여 점진적으로 낮은 TDD 시료를 생성했습니다. X선 회절(XRD) 로킹 커브(XRC)로 (0002)와 (10-12) 면을 측정하고 수정된 Hall-Petch 방정식으로 나사형 및 모서리 전위 밀도를 추출했습니다. 분광 타원계(SE)로 200-1000 nm 범위 복소 굴절률을 제공했습니다. 라만 분광법으로 AlN E₂(h) 피크 시프트 추적하여 잔류 응력 평가했습니다.

결과 및 고찰

그림 1은 5개 시료 (0002) 및 (10-12) XRC를 보여줍니다. (10-12) 면 FWHM(반값 전폭)이 시료 1에서 5로 가며 현저히 감소하여 TDD가 4.24×10⁸~3.48×10⁹ cm⁻² 범위에 분포했습니다. CompleteEASE로 직접 밴드갭 반도체 모델 사용하여 SE 피팅 수행, 평균제곱오차 11 미만으로 신뢰할 수 있는 광학 상수 확인.

굴절률 곡선(그림 2b)은 예상 분산을 보임: 6.2 eV 밴드갭 아래에서 광자 에너지 증가에 따라 상승, 그 이상에서 감소. 633 nm에서 TDD 감소에 따라 지수 2.019→2.056 상승, 벌크 값 2.15[27] 접근. 결정적으로 280 nm에서 지수 2.2508→2.2102로 TDD 증가에 따라 감소, 명확한 역관계 입증(그림 2c).

이 행동을 합리화하기 위해 원통 대칭 가정 단일 나사형 또는 모서리 전위 변형장 모델링. 변형 텐서 성분(식 5-6)을 광탄성 텐서(식 3)에 매핑하여 Δ(1/n²) 섭동 산출. 계산 결과 나사형 및 모서리 전위 모두 코어 주변 동심 쉘에서 국소적으로 굴절률을 낮춤(그림 4), 비균질 광학 매질 생성. 빛이 섭동 영역 통과 시 산란과 간섭이 광장 재분포, 효과적 굴절률 감소 유도.

잠재적 교란 요인(온도, 잔류 응력, 밴드갭) 체계적 배제. 모든 측정 실온 수행. 라만 스펙트럼(그림 5)은 TDD 감소에 따라 AlN E₂(h) 피크 완만한 청색 편이 보여 사파이어 기판 압축 변형 지시; 그러나 이 변형은 전위 밀도에 비해 굴절률 영향 미미. 밴드갭 결정(αE)² vs E 플롯(그림 6)은 시료 간 6.1106→6.1536 eV 미세 증가 드러냄; 그러나 굴절률과 예상 역상관(식 12) 관찰 안됨, TDD가 광학 응답 지배 강화.

결론

스레딩 전위 밀도는 AlN 굴절률을 지배하는 결정적 매개변수입니다. 고온 어닐링으로 TDD 감소 시 굴절률 상향 튜닝 가능, 벌크 값 접근하여 DUV 소자 LEE와 DBR 반사율 잠재적 향상. 전위 주변 나노스케일 변형장이 국소 굴절률 변이 유도, 거시적 측정 효과로 집적. 이러한 통찰은 AlN 성장과 소자 구조 최적화로 DUV 광전자공학 고성능 달성 명확한 경로 제공.