Impact van threading-dislocatie-dichtheid op de brekingsindex van AlN: nanoschaal-spanningsveldeffecten

Samenvatting

De brekingsindex van aluminiumnitride (AlN) beïnvloedt kritisch de prestaties van AlGaN-gebaseerde diep-ultraviolet (DUV) optoelektronische apparaten, inclusief de externe quantum-efficiëntie (EQE) van LEDs. Hoge-dichtheid threading-dislocaties (TDDs) zijn een veelvoorkomend defect in AlN, doch hun kwantitatieve effect op de brekingsindex blijft slecht begrepen. In deze studie varieerden we systematisch TDDs van 4.24 × 10⁸ tot 3.48 × 10⁹ cm⁻² door post-groei anealing en maatten de corresponderende brekingsindex met spectroscopische ellipsometrie (SE). De brekingsindex daalde van 2.2508 tot 2.2102 bij 280 nm toen TDD toenem, wat bevestigt dat dislocaties de optische dichtheid van AlN reduceren. Theoretische modellering van het nanoschaal-spanningsveld rondom schroef- en kant-dislocaties demonstreert hoe locale elastische deformatie de fotoelastische respons perturbeert, leidend tot ruimtelijk variërende brekingsindex en versterkte lichtverstrooiing. Deze bevindingen leveren een kritisch ontwerpparameter voor het optimaliseren van DUV LEDs, laserdiodes en DBR-structuren gebouwd op AlN-substraten.

Inleiding

AlN en zijn legeringen zijn de werkpaarden van DUV-optoelektronica, biedend een direct bandgap afstelbaar van 3.4 tot 6.2 eV. De brekingsindex van AlN bepaalt direct de licht-extractie-efficiëntie (LEE) door de totale interne reflectiehoek en regelt ook de reflectiviteit van gedistribueerde Bragg-reflectoren (DBRs). Gevolgd kan elke factor die de brekingsindex verschuift, de apparaat-uitgangsvermogen of spectrale prestaties beperken. Terwijl temperatuur, druk en bandgap zijn aangetoond om AlN's optische constanten te beïnvloeden, is de rol van threading-dislocaties - prevalent in epitaxiale AlN-lagen - niet gekwantificeerd. Gegeven typische TDDs variërend van 10⁸ tot 10⁹ cm⁻², is het imperatief om hun invloed op de brekingsindex vast te leggen om groei-optimalisatie en apparaat-engineering te sturen.

Methoden

Hoogwaardige AlN-templates werden gegroeid op c-saffier door metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) met trimethylaluminium en ammoniak-precursors onder 40 mbar waterstofstroom. Een 1.1 µm AlN-film werd gefabriceerd door een twee-stapsgroei: een 955 °C nucleatielaag gevolgd door 1280 °C hoge-temperatuurgroei, afgewisseld met een 1050 °C AlN-interlaag. Post-groei anealing bij 1500, 1600, 1700 en 1750 °C gedurende één uur produceerde monsters met progressief lagere TDDs. Röntgendiffractie (XRD) rocking curves (XRCs) maten (0002) en (10-12) vlakken om schroef- en kant-dislocatiedichtheden te extraheren via de gemodificeerde Hall-Petch-vergelijkingen. Spectroscopische ellipsometrie (SE) leverde de complexe brekingsindex over 200-1000 nm. Raman-spectroscopie beoordeelde residuele spanning door de AlN E₂(h) piekverschuiving te volgen.

Resultaten en discussie

Figuur 1 illustreert de (0002) en (10-12) XRCs voor de vijf monsters. De volle-breedte-op-half-maximum (FWHM) van het (10-12) vlak daalde merkbaar van monster 1 tot monster 5, wat TDDs opleverde die 4.24 × 10⁸ tot 3.48 × 10⁹ cm⁻² bespannen. SE-fitting, uitgevoerd met CompleteEASE met een direct-bandgap halfgeleider-model, bereikte gemiddelde-kwadraatfouten onder 11, wat betrouwbare optische constanten bevestigt.

Brekingsindex-curven (Figuur 2b) tonen de verwachte dispersie: een toename met fotonenergie onder het 6.2 eV bandgap, gevolgd door een afname erna. Bij 633 nm stijgt de index van 2.019 tot 2.056 naarmate TDD daalt, naderend de bulk-waarde van 2.15. Cruciaal, bij 280 nm daalt de index van 2.2508 tot 2.2102 naarmate TDD toeneemt, wat een duidelijke inverse relatie illustreert (Figuur 2c).

Om dit gedrag te rationaliseren, modeleerden we het spanningsveld van een enkele schroef- of kant-dislocatie met cylindrische symmetrie. De spanningstensor-componenten werden afgebildet in de fotoelastische tensor, wat de perturbatie Δ(1/n²) opleverde. Berekeningen onthullen dat zowel schroef- als kant-dislocaties de brekingsindex lokaal depresseren in concentrische schillen rond de kern, wat een inhomogeen optisch medium creëert. Wanneer licht deze geperturbeerde regio's doorkruist, herverdelen verstrooiing en interferentie het optische veld, wat effectief de gemeten brekingsindex reduceert.

Potentiële verwarrende factoren - temperatuur, residuele spanning en bandgap - werden systematisch uitgesloten. Alle metingen waren bij kamertemperatuur. Raman-spectra tonen een modeste blauwe verschuiving van de AlN E₂(h) piek met afnemende TDD, wat compressieve spanning van het saffier-substraat aangeeft; deze spanning heeft echter verwaarloosbare impact op de brekingsindex vergeleken met dislocatiedichtheid. Bandgap-bepalingen uit de (αE)² vs. E-plot onthullen een lichte toename van 6.1106 tot 6.1536 eV over de monsters, maar de verwachte inverse correlatie met brekingsindex wordt niet waargenomen, wat versterkt dat TDD de optische respons domineert.

Conclusies

Threading-dislocatie-dichtheid is een beslissende parameter die de brekingsindex van AlN regeert. Door TDD te reduceren via hoge-temperatuur-anealing kan de brekingsindex omhoog getund worden, naderend bulk-waarden en potentieel LEE en DBR-reflectiviteit in DUV-apparaten verbeterend. Het nanoschaal-spanningsveld rondom dislocaties induceert lokale brekingsindex-variaties die aggregeren in een meetbaar macroscopisch effect. Deze inzichten bieden een helder pad voor het optimaliseren van AlN-groei en apparaat-architectuur om hogere prestaties in DUV-optoelektronica te bereiken.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle ruwe data en fitting-parameters zijn beschikbaar op redelijk verzoek.

Afkortingen

DBR

Gedistribueerde Bragg-reflector

DUV

Diep-ultraviolet

EQE

Externe quantum-efficiëntie

FWHM

Volle-breedte-op-half-maximum

LEDs

Licht-emitterende diodes

LEE

Licht-extractie-efficiëntie

MOCVD

Metaal-organische chemische dampdepositie

MSE

Gemiddelde-kwadraatfout

SE

Spectroscopische ellipsometrie

TDDs

Threading-dislocatie-dichtheden

XRC

Röntgendiffractie rocking-curve

XRD

Röntgendiffractie