InGaN 표면에서 2단계 냉각으로 형성된 균일한 인듐 양자점: 새로운 MOCVD 접근법

요약

InGaN 에피택셜 층 표면에 직접 인듐 양자점(In QDs)을 성장시키기 위한 새로운 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD) 기술이 개발되었습니다. 2단계 냉각 프로토콜을 적용하여 In QDs가 매우 균일한 크기로 형성됩니다. 상세 분석 결과, 이 양자점들은 냉각 사이클의 저온 단계에서 표면 풍부 인듐 층과 수소 기체 간의 반응으로 형성됨이 밝혀졌습니다. 양자점 밀도는 표면 인듐 층의 특성을 밀접하게 따르며, 그렇지 않으면 파악하기 어려운 이 표면 영역을 직접 탐침할 수 있는 수단을 제공합니다.

서론

인듐 갈륨 질화물(InGaN)은 높은 흡수, 넓은 스펙트럼 조정성, 방사선 경도 덕분에 고효율 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD)의 초석이 되었습니다 [1-5]. 그러나 고품질 InGaN 제조는 여전히 도전적입니다. InN과 GaN 사이의 격자 불일치는 고체 상 오용성 갭을 생성하며 [6,7], InN의 GaN 대비 높은 증기압은 인듐 혼입을 억제합니다 [8]. 또한 상이한 생성 엔탈피는 성장 중 뚜렷한 인듐 표면 편석을 유도합니다 [9]. InGaN 층 증착 중 풀링 효과로 인해 인듐 풍부 표면 층이 필연적으로 형성되어 후속 다중 양자 우물(MQW) 구조를 오염시킬 수 있습니다 [10]. 이러한 장애물 극복은 InGaN 기반 광전자 소자 성능 향상에 필수적입니다. 단일 InGaN 층의 성장 매개변수를 최적화하는 동안, 기존의 1단계 냉각 대신 2단계 냉각 처리가 일관되게 표면에 균일한 크기의 In QDs를 생성함을 관찰했습니다. 이 관찰은 근본적 메커니즘과 표면 층 특성화에 대한 함의에 대한 체계적 조사를 촉발했습니다.

실험

시료는 질소 분위기에서 AIXTRON 6×2 근접 결합 샤워헤드 MOCVD 반응기로 c-면 사파이어 위에 성장시켰습니다. 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸인듐(TMIn), 암모니아(NH₃)를 각각 Ga, In, N 전구체로 사용했습니다. 단일 InGaN 층(<60 nm 두께, <15% In)을 2-µm 비의도적 도핑 GaN 버퍼 위에 증착했으며, 이 버퍼는 25-nm GaN 시드 층 위에 놓입니다(Fig. 1). GaN 성장 시 수소(H₂)를 캐리어 가스로 사용하여 결정 품질을 개선했고, InGaN 층에서는 인듐 부식 방지를 위해 질소(N₂)를 사용했습니다 [11,12]. 기존 냉각은 N₂ 분위기에서 직접 실온으로 온도를 낮추는 "1단계 냉각"입니다. 새로운 "2단계 냉각" 프로토콜은 먼저 N₂에서 400 °C로 온도를 낮춘 후, H₂ 분위기에서 최종적으로 실온으로 냉각합니다. 구조적 및 형태적 특성 분석에는 고분해능 X-선 회절(XRD), 원자력 현미경(AFM), 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 분광(EDS)을 사용했습니다. 시료 구조 개요는 Fig. 1에 표시되어 있습니다.

결과 및 토의

AFM 이미지는 2단계 냉각 프로토콜로 냉각된 시료와 1단계 법으로 냉각된 시료 간 뚜렷한 표면 형태를 보여줍니다(Fig. 2a,b). 둘 다 InGaN의 특징적인 계단 흐름 2D 성장과 나사 전위와 관련된 3D 아일랜드를 표시하지만, 2단계 냉각 표면은 수많은 균일 크기 양자점(평균 100×100 nm, ~20 nm 높이, 밀도 ~1.6×10⁸ cm⁻²)도 나타냅니다. 핵심 변수는 저온 단계에서 H₂ 사용이므로, 양자점 형성은 수소의 표면 인듐 층과의 상호작용과 연관됩니다. 냉각 가스의 효과를 분리하기 위해, 동일한 조건에서 성장된 GaN 층에 동일한 2단계 냉각을 적용했습니다. AFM에서 GaN에는 양자점이 나타나지 않습니다(Fig. 3a), 이 현상이 InGaN에 특이적임을 확인합니다. In 함량을 1%로 낮추면 양자점 밀도가 급격히 감소합니다(Fig. 3b), 표면 인듐 농도와의 직접적 상관관계를 나타냅니다. XRD 스캔은 양자점의 조성을 추가로 구별합니다. 2단계 냉각 시료는 2θ = 32.8°에서 추가 피크를 보이며, 이는 1단계 시료에는 없습니다. 이 피크는 알려진 인듐 방울의 회절과 일치합니다 [16,17], 양자점이 인듐 풍부함을 확인합니다. SEM과 EDS 매핑(Fig. 5)은 양자점이 인듐이 풍부한 반면 주변 Ga와 N은 균일하게 분포함을 뒷받침합니다. 흥미로운 관찰은 InGaN 표면을 800 °C에서 60초 어닐링하면 인듐 풍부 층이 제거됩니다. 이후 2단계 냉각은 양자점을 생성하지 않습니다(Fig. 6), 양자점이 벌크 InGaN 격자가 아닌 인듐 풍부 표면 층에서 기원함을 확립합니다. 우리는 수소가 저온(<400 °C)에서 부식제 역할을 하여 표면 인듐 질화물을 금속 인듐과 암모니아로 변환한다고 제안합니다(3 H₂ + 2 InN → 2 In + 2 NH₃). 고온 성장에서는 방출된 인듐이 확산되어 사라지지만, 낮은 열에너지는 탈착을 방지하여 인듐 원자가 합체되어 방울을 형성하도록 합니다. In 함량(7.65%-9.6%)과 층 두께(≈13 nm vs 41 nm)를 변화시킨 추가 실험에서 양자점 밀도가 두 매개변수 모두와 함께 증가함을 보입니다(Fig. 7). 이 경향은 표면 인듐 농도가 벌크 InGaN 조성과 두께와 함께 상승한다는 이론적 예측을 반영합니다 [21], 표면 기원 가설을 강화합니다.

결론

2단계 냉각 방식을 통해 InGaN 표면에 균일 크기 인듐 양자점을 제조하는 재현 가능한 방법을 입증했습니다. 양자점은 400 °C 이하 온도에서 인듐 풍부 표면 층과 수소 기체의 반응에서 기인합니다. 이 공정은 나노구조 제조의 새로운 경로를 제공할 뿐만 아니라, 후속 소자 성능에 영향을 미치는 찾기 어려운 인듐 풍부 표면 층을 직접적이고 비파괴적으로 탐침하는 수단을 제공합니다.