탑다운 공정 AlGaN 나노로드 어레이로 심자외선 광추출 효율 향상

연구 방법

AlGaN LED 웨이퍼는 2인치 c-면 사파이어 기판 위에 금속유기 화학기상증착(MOCVD)으로 성장시켰으며 이를 PLA 시료로 정의했습니다. 에피택시는 900 nm 비도핑 AlN 버퍼, 400 nm 조성 구배 AlGaN 층, 1.4 µm 두께 Si-도핑 n-Al₀.₅Ga₀.₅N, 우물과 장벽 두께 각각 3, 10 nm인 5주기 Al₀.₃₅Ga₀.₆₅N/Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N MQW, 100 nm Mg-도핑 p-GaN 콘택트 층으로 구성됩니다.

소프트 UV 경화 NIL과 사후 성장 식각 접근법으로 AlGaN NR 어레이를 얻었습니다[26-28]. 그림 1a-h와 같이 NIL 공정은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)으로 200 nm 두께 이산화규소(SiO₂) 증착으로 시작합니다(그림 1b). 이어 300 nm 두께 SU8 포토레지스트와 80 nm 두께 UV 경화 레지스트를 에피층 위에 직접 스핀 코팅합니다(그림 1c). UV 경화 레지스트에 소프트 UV 경화 NIL 수행(그림 1d). UV 레지스트 잔여물 제거와 나노패턴을 SU8 포토레지스트 층으로 복제하기 위해 산소(O₂) 플라즈마로 반응성 이온 식각(RIE) 공정으로 SU8 포토레지스트 식각(그림 1e). 이후 30 nm 두께 Ni 층을 물리기상증착(PVD)하고 아세톤 리프트오프 공정으로 SiO₂ 표면에 주기적 Ni 아일랜드 형성해 하드 마스크로 사용(그림 1f). 준비된 Ni 하드 마스크로 또 다른 RIE 공정으로 SiO₂ 층에 패턴 전사(그림 1g). 이후 SiO₂ 나노로드 어레이를 제2 마스크로 유도결합플라즈마(ICP) 식각 공정으로 AlGaN LED 웨이퍼 식각. 마지막으로 HF 용액으로 SiO₂ 나노로드 어레이 마스크 제거해 그림 1h와 같이 AlGaN NR 어레이 획득. 이 NIL 기술로 2인치 웨이퍼에서 나노구조 수율 98% 이상 달성해 EBL 법과 비슷하지만 훨씬 저렴합니다. 자세한 내용은 이전 보고서 참조[27]. 건식 식각 중 나노로드 측벽에 표면 상태가 불가피하게 생성돼 AlGaN MQW 발광을 억제하는 비복사 재결합 중심이 될 수 있습니다. 따라서 모든 NR 시료는 90°C 수조에서 KOH와 희석 산 용액으로 화학 처리해 표면 상태를 제거했습니다.

MQW 내장 AlGaN NR 어레이 제작 개략도. a 원본 AlGaN 심자외선 LED 웨이퍼. b SiO₂ 증착. c SU8 포토레지스트 및 UV 경화 레지스트 스핀 코팅. d 소프트 UV 경화 NIL 공정. e SU8 포토레지스트 RIE 공정. f Ni 증착 및 아세톤 리프트오프. g Ni 패턴을 SiO₂ 층으로 RIE 전사. h SiO₂에서 AlGaN LED 웨이퍼로 ICP 전사

제작된 AlGaN NR 어레이 형태는 ZEISS SIGMA 고분해능 전계방출 SEM 시스템으로 특성화했습니다. TEM 이미지는 FEI Titan 80-300 TEM 시스템(전자빔 200 kV)으로 수집했습니다. CL 스펙트럼은 전자빔-파이버 프로브 시스템(전자빔 10 kV, 922 pA)으로 수집했습니다. 라만 산란 스펙트럼은 컨포칼 라만 분광 이미징 시스템(WITec alpha 300RA)에서 후산란 구성으로 514 nm 레이저 여기원으로 얻었습니다. 라만 측정은 520.7 cm⁻¹ 광학 포논 모드를 가진 표준 단결정 실리콘 시료로 보정했습니다.

결과 및 논의

그림 2a, a 삽입, b는 제작된 AlGaN NR 어레이의 전형적인 평면도, 경사도, 단면 SEM 이미지로 우수한 균일성과 매끄러운 측벽을 보여줍니다. NR이 고도로 정렬된 육방 격자 배열임을 알 수 있습니다. NR 직경, 주기, 길이는 각각 약 350 nm, 730 nm, 1300 nm입니다. 그림 2c, d에서 NR 제작 후 NR 내장 MQW가 명확히 관찰됩니다. 우물과 장벽은 각각 어두운 영역과 밝은 영역으로 나타나며 계면은 여전히 명확하고 평평하며 가파릅니다.

AlGaN NR 어레이의 평면도(a), 경사도(a 삽입), 단면도(b) SEM 이미지. c, d 단일 NR 및 AlGaN MQW TEM 이미지

그림 3a, b는 각각 실온(RT; 300 K)과 저온(LT; 10 K) NR 시료 CL 스펙트럼입니다. 그림 3c, d는 각각 RT, LT PLA 시료 CL 스펙트럼입니다. 실선과 파선은 실험 및 피팅 곡선(가우시안). 가우시안 피팅 결과 모든 스펙트럼은 두 방출 피크로 구성됩니다. PLA나 NR 시료 모두 LT에서 측정된 CL 발광 강도가 RT 대비 크게 향상되는데, 이는 LT에서 약한 열 활성화 에너지로 캐리어가 비복사 재결합 중심인 결함으로 이동하지 못해 복사 재결합만 수행해 IQE가 약 100%로 간주되기 때문입니다. 에피택셜 층 구조를 고려할 때 단파장(피크 1)과 장파장(피크 2) 피크는 각각 n-형 층과 MQW 발광에 기인합니다. 가우시안 분할 피크 상세 파라미터는 표 1에 있습니다. NR 시료에서 n-형 층 발광 적분 강도는 RT와 LT에서 각각 약 2.89[I₁(NR300K)/I₁(PLA300K)]배, 2.78[I₁(NR10K)/I₁(PLA10K)]배 PLA 시료보다 높습니다. 그러나 RT에서 MQW 발광 적분 강도는 NR 시료가 PLA 시료보다 약 5.81[I₂(NR300K)/I₂(PLA300K)]배 높은 반면, LT에서는 비율 0.48[I₂(NR10K)/I₂(PLA10K)]에 불과합니다.

a, b NR 시료 300 K, 10 K CL 스펙트럼(전자빔 10 kV, 992 pA). c, d PLA 시료 300 K, 10 K CL 스펙트럼(전자빔 10 kV, 992 pA). 실선과 파선은 실험 및 가우시안 피팅 곡선

PLA 시료 대비 NR 시료 측벽이 공기에 노출됨(그림 4a)으로 공기와 에피층 간 총 계면적이 크게 증가해 n-형 층과 MQW 발광 모두 LEE가 향상됩니다. n-형 층 발광 LEE 향상은 약 2.8[I₁(NR)/I₁(PLA)]로 추정됩니다. 또한 그림 2a 기하 구조에서 PLA 시료 MQW 면적이 NR 시료보다 약 4배 큽니다. PLA와 NR 시료 IQE를 10 K에서 1로 가정하면 상대적 광추출 향상은 약 1.9[4×I₂(NR10K)/I₂(PLA10K)]로 얻습니다. 분명히 n-형 층 발광 LEE 향상이 MQW 발광보다 높습니다.

a PLA 및 NR 시료 구조도. b FDTD 시뮬레이션으로 계산된 NR 시료의 TE 및 TM 편광 상태별 LEE 향상. 검은색과 빨간색 점선은 각각 n-형 AlGaN 층과 AlGaN MQW 발광 파장에 대응

유한차분 시간영역(FDTD) 시뮬레이션으로 AlGaN NR 어레이 LEE 향상을 명확히 했습니다. NR 어레이 직경, 주기, 길이를 각각 350 nm, 730 nm, 1300 nm로 설정해 제작된 NR 어레이와 일치시켰습니다(그림 4a). 기타 시뮬레이션 파라미터는 이전 보고서와 유사[29]. 모니터로 수집된 필드로 상면에서 빠져나가는 전력 P₀를 적분하고, 쌍극자 소스 전력을 P_S로 정의해 LEE η=P₀/P_S. 추출 향상 E_n=η_r/η_p로 계산, 여기서 η_p, η_r은 PLA, NR 시료 LEE. 그림 4b는 NR 어레이의 PLA 시료 대비 TE, TM 편광 상태별 광추출 향상. n-형 층 발광(~265 nm)에서 TE, TM 편광 상태 LEE 향상비 각각 약 2.4, 9.2. 선행 연구에서 압축 성장 AlGaN MQW라도 240 nm까지 강한 TE 편광 발광 관측[30]. 따라서 TE, TM 혼합 상태 LEE 향상 약 2.8이 합리적. 그러나 MQW 발광(~277 nm)에서 TE, TM 향상비 각각 약 2.6, 9.1. 실험 데이터로 계산된 MQW 발광 LEE 향상비 약 1.9로 시뮬레이션 TE, TM 향상비보다 작음. 이는 실험적 NR 어레이의 부분적 불규칙 형태(그림 2a)나 NIL 공정 손상층 재흡수 탓일 수 있습니다.

반면 감소된 QCSE가 NR 시료 MQW 발광 IQE 향상시킵니다. 300 K n-형 층 발광 IQE는 PLA, NR 시료 각각 약 1.96%[I₁(PLA300K)/I₁(PLA10K)], 2.03%[I₁(NR300K)/I₁(NR10K)]로 거의 유사합니다. QCSE가 n-형 층에 없기 때문. 그러나 MQW 발광 300 K IQE는 PLA, NR 시료 각각 약 1.32%[I₂(PLA300K)/I₂(PLA10K)], 16.1%[I₂(NR300K)/I₂(NR10K)]로 NR 시료 MQW 발광 상대 IQE 향상비 12.2 달성. 이 큰 상대 IQE 향상은 NR 시료 감소된 QCSE 덕분입니다. 청색/녹색 LED 유사 연구[27,31]에서 NR 제작에 의한 큰 변형 완화가 QCSE 효과 감소시킴. 감소된 QCSE는 전자-정공 파동함수 중첩 증가로 IQE 향상시킵니다.

라만 측정으로 NR 시료 변형 완화 확인. 그림 5는 PLA, NR 시료 라만 스펙트럼. E₂(high) 포논 모드로 에피택셜 층 응력 상태 특성화. PLA, NR 시료 모두 라만 스펙트럼에 세 E₂(high) 포논 모드 나타남: GaN 콘택트 층, n-형 층, AlN 버퍼 층 대응. PLA, NR 시료 피크 이동이 응력 자유 E₂(high) 포논 모드와 달라 NR 제작 후 응력 상태 변화됨. 보통 에피택셜 층 면내 응력 다음 식으로 표현[29]:

여기서 C는 응력-이동률(-3.4 cm⁻¹/GPa, -3.1 cm⁻¹/GPa, -3.25 cm⁻¹/GPa: GaN, AlN, Al₀.₅Ga₀.₅N)[29]. ω_E₂(high)와 ω_0는 연구 해당 에피택셜 층 E₂(high) 모드 라만 이동과 응력 자유 물질 값. ω_0는 GaN, Al₀.₅Ga₀.₅N 각각 실온에서 567.0, 586.0 cm⁻¹ 보고[32]. 에피택셜 층 변형은 다음 식으로 표현[33]:

여기서 σ_xx 면내 응력, ε_xx 면내 변형, C_ij는 GaN, AlN 탄성 상수[34]: GaN 478.5 GPa, Al₀.₅Ga₀.₅N 474.5 GPa 비례 계수.

실온에서 514 레이저로 자극된 PLA, NR 시료 라만 스펙트럼. 검은색, 빨간색 곡선은 각각 PLA, NR 시료. 파란색, 분홍색 점선은 무응력 GaN, Al₀.₅Ga₀.₅N E₂h 피크 대응

식 (1, 2)로 라만 이동, 응력, 변형 표 2에 정리. 특히 GaN 콘택트 층에서 변형 크게 감소. 서로 다른 Al 함량 에피층 변형과 응력 선형 보간으로 35% Al 함량 MQW 응력/변형은 PLA 1.99 GPa/0.42%, NR 0.59 GPa/0.13%로 NR 시료 MQW 층에서 69% 변형 완화됨.

선행 연구[35]에 따르면 양자우물 내 분극장 E_w는

여기서 l_w, l_b, P_w, P_b, ε_b, ε_w는 우물/장벽 폭, 총 분극, 유전율. 압전 분극뿐 아니라 자발 분극도 고려해야 함. 압전 분극 P_pz=2(e₃₁-e₃₃C₁₃/C₃₃)ε_xx[36], e₃₁, e₃₃, C₃₁, C₃₃은 GaN, AlN 관련 파라미터 선형 보간[37,38], 변형 ε_xx는 라만 스펙트럼 선형 보간법으로 계산. 자발 분극은 GaN, AlN 자발 분극 선형 보간[37,39]. 우물/장벽 유전율은 GaN ε_GaN=8.9, AlN ε_AlN=8.5 선형 보간[40]으로 얻음. 식 (3)으로 분극장 계산. 표 3에 PLA, NR 시료 양자우물 자발 분극, 압전 분극, 총 분극, 분극장 정리. NR 제작 후 분극장 감소 명확.

결론

요약하자면, NIL과 탑다운 식각 기술로 고균일 AlGaN NR 어레이(MQW 내장) 제작 성공. CL 측정으로 NR, PLA 시료 모두 300 K, 10 K에서 n-형 층(고에너지) 및 MQW(저에너지) 발광 두 피크 관측. n-형 층 발광에서 2배 이상 LEE 향상 관측, IQE는 NR 제작으로 거의 향상 안됨. MQW 발광에서 LEE 향상비 약 1.9 추정, 12.2배 IQE 향상 달성. 라만 스펙트럼으로 변형 0.42%→0.13% 감소 확인, 강한 QCSE 감소 증거. 결정 품질이 좋지 않은 시료에서 QCSE로 인한 전자-정공 공간 분리가 IQE 감소 중요 인자임 확인.

약어

CL:

캐소도루미네센스

EBL:

전자빔 리소그래피

FDTD:

유한차분 시간영역

ICP:

유도결합플라즈마

LEE:

광추출 효율

LT:

저온

MOCVD:

금속유기 화학기상증착

MQWs:

다중양자우물

Ni:

니켈

NIL:

나노임프린트 리소그래피

NR:

나노로드

PECVD:

플라즈마 강화 화학기상증착

PLA:

평면

PVD:

물리기상증착

QCSE:

양자 구속 스타크 효과

RIE:

반응성 이온 식각

RT:

실온

SEM:

주사전자현미경

TEM:

투과전자현미경

TE:

횡전기

TM:

횡자기

UV:

자외선