De atoomherschikking van op GaN gebaseerde meerdere kwantumbronnen in H2/NH3 gemengd gas voor het verbeteren van structurele en optische eigenschappen

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de PL-spectra van drie monsters gemeten bij kamertemperatuur (300 K). Om de luminescentie-eigenschappen effectief te vergelijken, werden de PL-spectra van drie monsters gemeten onder dezelfde omstandigheden, zoals de spleetbreedte van de spectrometer, de integratietijd en de versterkingsspanning van de detector. Opgemerkt wordt dat de PL-intensiteit van de hoofdpiek van monster B die is behandeld met 100 sccm waterstof de hoogste is van de drie monsters. De PL-piekintensiteit van monster C is zwakker dan monster B, maar sterker dan monster A. De golflengte van de hoofdpiek voor alle drie de monsters is ongeveer 455 nm, wat overeenkomt met de interbandovergangsenergie van InGaN/GaN MQW's. Aan de hogere energiekant verschijnt een kleine piek rond 365 nm, wat overeenkomt met de nabije bandafstand-luminescentie van GaN. De resultaten tonen aan dat een geschikte waterstofflux (100 sccm) tijdens de waterstofbehandeling de luminescentieprestatie aanzienlijk kan verbeteren, maar de luminescentieprestatie zal een beetje verslechteren bij gebruik van een te hoge waterstofflux (200 sccm).

De PL-spectra van drie monsters bij 300 K. De luminescentie-intensiteit van monster B behandeld met 100sccm waterstof is de sterkste van de drie monsters

Om te onderzoeken wat er met het MQW-gebied gebeurt tijdens de waterstofbehandeling, worden transversale transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)-afbeeldingen van drie monsters getoond in Fig. 2. Drie belangrijke punten moeten worden opgemerkt in Fig. 2. Ten eerste, de interfaces tussen QW-lagen en QB-lagen in monster A zijn gegolfd en de QW-dikte varieert aanzienlijk, zoals aangegeven door een rode stippellijn. Maar de interfaces van MQW in monsters B en C zijn steil en vlak, wat duidelijk te onderscheiden is in figuur 2. De QW-diktefluctuatie van monster B en C is klein. Ten tweede is de verdeling van atomen in de QW-lagen van monster A niet uniform, maar neigt deze te aggregeren nabij en op sommige plaatsen van het oppervlak van de putlagen, zoals weergegeven door de rode pijlen. Aangezien het enige verschil tussen QB- en QW-lagen het indiumgehalte is, moeten de geaggregeerde atomen worden veroorzaakt door de indiumsegregatie. Dergelijke verschijnselen waren in eerdere rapporten al waargenomen [11]. De aggregatie van het atoom wordt niet gevonden in monster B en monster C. Ten derde hebben de interfaces, in vergelijking met monster B, verstoringen in monster C, zoals weergegeven door de groene pijl. Samenvattend, wanneer 100 sccm flux wordt gebruikt voor de waterstofbehandeling, worden niet alleen de grensvlakken van MQW's steil en vlak, maar wordt ook de verdeling van indiumatomen uniformer. Wanneer de waterstofflux echter toeneemt tot 200 sccm, verschijnen de verstoringen weer in de interfaces. Opgemerkt wordt dat de uniformiteit van MQW-lagen zoals getoond in monster B normaal gesproken alleen kan worden bereikt na een proces van temperatuurstijging [19]. Maar hier kan de uniformiteit van de MQW's worden bereikt bij lage temperatuur (750 °C) door een waterstofbehandelingsproces.

De dwarsdoorsnede TEM-afbeeldingen van monsters A, B en C. In het beeld van monster A markeert de rode stippellijn de gegolfde MQW-interface en de rode pijlen wijzen op de indiumrijke clusters in MQW's. In de afbeelding van voorbeeld C wijst de groene pijl op de beschadigde onderdeelinterfaces van MQW's

Om het mechanisme te begrijpen van de waterstofbehandeling die de kwaliteit van de MQW-regio beïnvloedt, moet eerst de reden voor de slechtere MQW-kwaliteit in monster A zonder waterstofbehandeling worden uitgezocht. De geschikte afzettingstemperatuur van GaN is hoger dan 1000 ° C, waarbij de groeimodus van de epitaxiale laag van GaN de neiging heeft om stapsgewijs te stromen [26, 27]. Vanwege de lage depositietemperatuur van InGaN/(In)GaN MQW's, die nu zo laag is als 750 °C, zijn Ga-atomen echter moeilijk te migreren naar de rand van de treden vanwege de beperkte atomaire oppervlaktemobiliteit. Als gevolg hiervan heeft de groeimodus van GaN-barrièrelagen de neiging om 3D-eilandgroeimodus te zijn en bevinden de epitaxiale lagen zich in een metastabiele thermodynamische toestand [28]. Het oppervlak kan dus gemakkelijk worden gegolfd, zoals schematisch wordt weergegeven door de rode stippellijn in figuur 2. Aan de andere kant, in het monster A, blijken de indiumatomen te aggregeren als indiumrijke clusters op het oppervlak van QW's. Dergelijk gedrag wordt voornamelijk toegeschreven aan de enorme mengkloof tussen GaN en InN, die wordt veroorzaakt door de grote mismatch tussen GaN en InN [15].

Tijdens het waterstofbehandelingsproces wordt de ammoniak (NH₃ ) werd nog steeds in de reactiekamer gebracht. Volgens eerdere rapporten is de oppervlaktedekking van NH₃ het gehalte is relatief laag (ongeveer 25%) en de hoofdsamenstelling van de dekking is NH₂ radicalen (ongeveer 75%) [28, 29]. In zo'n lage dekking van NH₃ , is de bindingsenergie van gallium (Ga)/indium (In)-adatomen aan het oppervlak relatief hoog, wat leidt tot een lage oppervlaktediffusiesnelheid en zwakke desorptie van adatoms [29, 30]. Omdat H₂ is het product van de ontleding van ammoniak en de ontledingssnelheid van NH₃ neemt af en de oppervlaktedekking van NH₃ neemt toe tijdens het waterstofbehandelingsproces, als resultaat een verzwakte bindingsenergie van gallium/indium-adatomen veroorzaakt door de verhoogde dekking van NH₃ verbetert de oppervlaktediffusiesnelheid en desorptie van gallium/indium-adatomen. Ondertussen werd de waterstof gedurende 100 s in de reactiekamer gebracht, waardoor gallium- en indium-adatomen een grotere diffusielengte hebben. Daarom kunnen de gallium- en indium-adatomen gemakkelijker een thermodynamische stabiele toestand bereiken en worden de interfaces vlak en steil. Bovendien, in de gemengde gasomgeving van H₂ en NH₃ , zullen indiumrijke clusters gemakkelijker desorberen dan de indiumarme regio's [31]. De verdeling van het indiumgehalte zal dus gelijkmatiger zijn over de hele putlagen, wat resulteert in een betere homogeniteit van de MQW's van monster B. Wanneer echter een overmatige waterstofflux (200 sccm) in de reactiekamer wordt geïntroduceerd, zal de desorptie van de indium-adatomen zullen verder toenemen en de QW-lagen zijn gedeeltelijk beschadigd door het etsende effect van waterstof [32], zoals wordt getoond in de TEM-afbeelding in dwarsdoorsnede van monster C in Fig. 2.

Opgemerkt moet worden dat, Czernecki et al. rapporteerde dat wanneer de waterstofbehandeling wordt uitgevoerd tussen de groei van barrières en putlagen, de kwantumputten zullen worden geëtst en gegolfd [28]. Een dergelijk etseffect is echter niet waargenomen in ons werk. Aangenomen wordt dat er twee belangrijke redenen zijn voor het verschil. Ten eerste zijn de waterstofionen die tot een etsend effect zullen leiden, minder vanwege de lage temperatuur en de kleinere hoeveelheid waterstofflux. Ten tweede werd vóór de waterstofbehandeling een dunne GaN-deklaag afgezet op de QW-lagen, die de InGaN-bronlaag kan beschermen tegen het etseffect. Daarom is in het menggas van NH₃ en H₂ , worden de MQW's uniform door een dergelijk atomair herschikkingsproces.

Omdat de schaal van TEM-afbeeldingen in nanometers is, worden de structuureigenschappen op grotere schaal onderzocht door Rigaku SmartLab röntgendiffractometer met hoge resolutie (HRXRD). De ω-2θ-scancurves op (0002) worden getoond in Fig. 3 en de parameters van InGaN/GaN MQW's worden verkregen door de gemeten ω-2θ-scancurves aan te passen met behulp van het Global Fit-programma, zoals weergegeven in Tabel 1. Het is gevonden dat monster B vergelijkbare structuurparameters heeft als monster A, behalve het relatief lagere indiumgehalte van InGaN-putlagen. De afname van het indiumgehalte in QW's voor monster B wordt voornamelijk veroorzaakt door het etseffect van waterstof. Bovendien is niet alleen het indiumgehalte, maar ook de dikte van QW's duidelijk verminderd in monster C, wat wordt veroorzaakt door het overreactie-effect van H₂ behandeling. Er wordt ook opgemerkt dat het indiumgehalte en de dikte van QB-lagen van monster C duidelijk toenemen in vergelijking met monsters A en B. Het toont aan dat wanneer de waterstofflux te hoog is tijdens de waterstofbehandeling, een deel van de gedesorbeerde indiumatomen zal opnemen in QB's, wat resulteert in een grotere dikte en indiumgehalte van QB-lagen.

De ω-2θ-scancurves op (0002) van monster A, B en C die worden gemeten met een röntgendiffractometer met hoge resolutie (HRXRD)

Het effect van waterstofbehandeling op de structuureigenschappen is in detail besproken door middel van TEM-afbeeldingen en XRD. In de volgende paragrafen zal verder worden bestudeerd hoe de veranderingen van structuureigenschappen de optische eigenschappen beïnvloeden.

Afbeelding 4 toont de PL-spectra gemeten bij 30 K en de vergelijking van enkele PL-kenmerken van drie monsters. Vanwege het overdrachtsvermogen van de zwakke dragers en de onderdrukking van niet-stralingscentra bij lage temperatuur, worden de resultaten van PL bij 30 K meestal gebruikt om de optische eigenschappen van stralingsrecombinatiecentra in MQW's te karakteriseren. In figuur 4a wordt duidelijk een zijpiek getoond in de PL-spectra voor alle drie de monsters. De energiekloof tussen de zijpiek en de hoofdpiek is ongeveer 90 meV, die gesloten is voor de optische fonon-energie van GaN. Het is dus veilig om te zeggen dat de zijpieken de fonon-replica zijn [33]. Zoals weergegeven in figuur 4b, is de piekenergie van monster A veel lager dan die van monsters B en C, wat goed overeenkomt met de resultaten van HRXRD. Maar de piekenergie van monster C is iets lager dan die van monster B, wat kan worden veroorzaakt door de slechtere uniformiteit van MQW's van monster C. Figuur 4c toont de volledige breedte bij halve magnitude (FWHM) van PL-spectra bij 30 K. De FWHM van de PL-spectra van monsters A, B en C is respectievelijk 12,3 nm, 10,1 nm en 12,6 nm, wat aangeeft dat monster B de beste luminescentie-uniformiteit heeft. Merk op dat de FWHM voor monster C op hetzelfde niveau ligt als die van monster A, wat betekent dat de discontinuïteit in de interface van de MQW de uniformiteit van luminescentiecentra ernstig verslechtert.

De PL-spectra bij 30 K (a ); de piekenergie (b ) en FWHM (c ) van monster A, B en C door gausspassing van de PL-spectra

Om de luminescentie-eigenschappen van drie monsters verder te controleren, toont figuur 5a de curven van piekenergie van PL-spectra versus temperatuur voor drie monsters. De piekenergie van alle monsters blauw verschuift eerst en dan rood verschuift samen met toenemende temperatuur. Zoals bekend, zal in halfgeleidermaterialen de piekenergie naar rood verschuiven met toenemende temperatuur als gevolg van het krimpeffect van de bandafstand. Maar in op GaN gebaseerde MQW's is een blauwe verschuiving van piekenergie waargenomen bij toenemende temperatuur. Een dergelijke blauwverschuiving wordt veroorzaakt door de verschillende energieverdeling van gelokaliseerde toestanden in QW's. Wanneer de temperatuur stijgt, gaan dragers over van diepe gelokaliseerde staten naar ondiepe gelokaliseerde staten. De energiepositie van laatstgenoemde ligt hoger [34, 35]. Dus hoe groter de blauwverschuiving, hoe inhomogener de verdeling van gelokaliseerde toestanden. Monster A heeft de grootste blauwverschuiving en monster B heeft de laagste blauwverschuiving van de drie monsters, zoals weergegeven in figuur 5b, wat aangeeft dat monster B de meest homogene verdeling van lokalisatietoestanden van MQW onder de drie monsters heeft. Gecombineerd met het resultaat van TEM-afbeeldingen in Fig. leiden twee aspecten tot de inhomogeniteit van monster A:de grotere fluctuaties in de putdikte en de inhomogene indiumsamenstelling. Bovendien wordt ook opgemerkt dat monster C een andere temperatuur voor het draaien van de roodverschuiving heeft, namelijk 160 K, terwijl deze temperatuur 200 K is voor monster A en monster B, wat aangeeft dat overmatige waterstofflux tijdens de behandeling een nieuwe oorzaak kan introduceren om te leiden tot blauwverschuiving in monster C. Aangezien de MQW-interfaces gedeeltelijk zijn beschadigd door overmatige waterstof, zoals weergegeven in Fig. 2, kan dit ook een reden zijn voor de toename van de blauwverschuiving. Zoals vermeld in de literatuur, treedt ook vaak een roodverschuiving op in het lagere temperatuurstadium [34], maar wordt in dit werk niet waargenomen. Dit kan te wijten zijn aan de lagere potentiële barrièrehoogte die de vervoerder belemmert die van ondiepere vallen naar diepere vallen wordt vervoerd.

een De curven van piekenergie versus temperatuur voor monsters A, B en C; de pijlen geven de rode schakeltemperatuur aan. b De hoeveelheid blauwverschuiving van monsters A, B en C; en monster B heeft de minste blauwverschuiving

De beperking van TDPL is dat het alleen de algemene luminescentiekenmerken van de monsters karakteriseert omdat het de ruimtelijke resolutie van emissie-eigenschappen mist. Daarom wordt de micro-PL van monsters A, B en C gemeten en weergegeven in respectievelijk Fig. 6a-c. Het is significant dat het aantal en de grootte van niet-luminescente gebieden in monster A het grootst zijn. Na een waterstofbehandelingsproces van 100 sccm zijn de niet-luminescente gebieden duidelijk veel verminderd, zoals weergegeven in figuur 6b. B. Het is algemeen bekend dat indiumatomen de neiging hebben zich op te hopen rond dislocatiedefecten, wat resulteert in een sterk beperkend effect op dragers in het gebied. Tijdens het waterstofbehandelingsproces elimineren een grotere oppervlaktediffusiesnelheid en het desorptieproces de aggregatie van indiumrijke clusters. Monster B heeft dus minder niet-luminescente gebieden. Wanneer echter overmatige waterstofflux (200 sccm) in de reactiekamer werd geïntroduceerd, verschijnen er weer een paar kleine niet-luminescente gebieden in het micro-PL-beeld, zoals aangegeven door de rode pijlen in figuur 6c. Het wordt voornamelijk veroorzaakt door de gedeeltelijk beschadigde MQW-regio's, zoals weergegeven in figuur 2.

De vergelijking van micro-PL-resultaten voor monster A, B en C die overeenkomt met (a ), (b ) en (c ), respectievelijk. De rode pijlen geven het niet-stralende luminescentiegebied aan met een kleinere afmeting in monster C

Door bovenstaande resultaten en discussies heeft monster B de meest uniforme luminescentie-eigenschappen en de minste niet-stralingsrecombinatiegebieden. Deze optische eigenschappen komen goed overeen met de sterkste luminescentie-intensiteit in figuur 1. Om de prestaties van de drie monsters verder te controleren, werd een benaderingsmethode voor het berekenen van de interne kwantumefficiëntie (IQE) gepresenteerd. Neem de interne kwantumefficiëntie bij 30 K als 100%, dan kan de IQE bij kamertemperatuur ruwweg worden berekend met de volgende uitdrukking:

De ik _300K vertegenwoordigt de geïntegreerde intensiteit van PL-spectra bij 300 K en de I _30K vertegenwoordigt de geïntegreerde intensiteit van PL-spectra bij 30 K. De resultaten van IQE voor drie monsters worden getoond in Fig. 7. De IQE neemt sterk toe van 1,61 tot 30,21% bij gebruik van de juiste flux van waterstof tijdens de waterstofbehandelingen. De belangrijkste redenen voor de grote toename in IQE van monster B zijn de betere uniformiteit van zowel de indiumsamenstelling als de dikte van MQW's en de verminderde niet-stralingsrecombinatiecentra zoals hierboven besproken. Aan de andere kant, bij gebruik van overmatige flux (200sccm) van waterstof, daalt de IQE van 30,21% naar 18,48%, wat voornamelijk wordt veroorzaakt door de gedeeltelijk beschadigde MQW's.

De interne kwantumefficiëntie (IQE) van monster A, B en C. De IQE van monster B is maar liefst 30,21%