Titik Kuantum Indium Berukuran Seragam yang Tumbuh di Permukaan Lapisan Epitaksial InGaN dengan Proses Pendinginan Dua Langkah

Hasil dan Diskusi

Sebuah topografi permukaan abnormal dari lapisan InGaN telah ditemukan ketika ditumbuhkan pada satu lapisan InGaN pada template GaN dengan proses pendinginan dua langkah. Morfologi permukaan AFM sampel InGaN dengan pendinginan satu langkah dan pendinginan dua langkah masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 2a dan b. Gambar 2a menunjukkan morfologi permukaan khas epilayer InGaN, dari mana kita dapat menemukan bahwa lapisan InGaN memiliki langkah-langkah yang jelas mengalirkan pertumbuhan 2D. Pada saat yang sama, terdapat banyak pulau 3D pada permukaan sampel yang dikaitkan dengan garis dislokasi ulir pada lapisan GaN. Terlihat juga adanya titik gelap pada bagian atas setiap pulau 3D yang terbukti merupakan v-pit yang terbentuk di sepanjang dislokasi ulir [13, 14]. Berbeda dengan Gambar 2a, kecuali step flow surface dan pulau 3D, terdapat juga banyak titik kuantum berukuran seragam (titik putih kecil pada gambar) pada Gambar 2b. Dikombinasikan dengan inset Gambar 2b di sudut kiri atas yang merupakan diagram 3D permukaan, kita bisa mendapatkan ukuran rata-rata untuk titik-titik kuantum ini sekitar 100 nm × 100 nm, tinggi rata-rata sekitar 20 nm, dan kepadatannya sekitar 1,6 × 10 ⁸ cm ⁻² . Perlu dicatat bahwa perbedaan utama antara dua cara pendinginan sampel yang berbeda ini adalah bahwa H₂ digunakan sebagai gas pembawa, bukan N₂ pada periode pendinginan kedua dari proses pendinginan dua langkah. Oleh karena itu, pembentukan titik-titik kuantum pada permukaan lapisan InGaN terkait dengan gas pembawa H₂ dalam proses pendinginan suhu rendah.

Topografi permukaan AFM a Sampel InGaN dengan pendinginan satu langkah dan b Sampel InGaN dengan proses pendinginan dua langkah di mana sisipannya adalah diagram permukaan 3D

Untuk memahami bagaimana hal ini terjadi ketika proses pendinginan dua langkah dilakukan pada sampel InGaN, kami membuat eksperimen pendinginan dua langkah pada GaN, bukan InGaN. Lapisan GaN ini ditumbuhkan pada kondisi yang sama dengan sampel lapisan InGaN tunggal yang dipelajari dalam penelitian ini, yaitu pada suhu pertumbuhan yang relatif lebih rendah yaitu 740 °C dan N₂ digunakan sebagai gas pembawa. Topografi permukaan AFM dari lapisan GaN setelah proses pendinginan dua langkah ditunjukkan pada Gambar. 3a. Kami dapat menemukan bahwa tidak ada titik-titik kuantum yang ada di permukaan dan permukaannya sama dengan sampel lapisan GaN yang ditumbuhkan MOCVD pendinginan satu langkah seperti yang telah dilaporkan secara luas [15]. Selain itu, kami telah memeriksa apa yang akan terjadi ketika proses pendinginan dua langkah digunakan untuk sampel lapisan InGaN dengan kandungan In yang sangat rendah dimana kandungan In hanya 1%. Gambar 3b menunjukkan morfologi permukaan AFM dari sampel InGaN ini dengan kandungan In rendah setelah proses pendinginan dua langkah. Ditemukan bahwa kerapatan titik-titik kuantum memiliki penurunan yang sangat besar dibandingkan dengan sampel InGaN dengan kandungan In tinggi yang disebutkan di atas dimana kandungan In sekitar 13%. Hasil ini berarti bahwa pembentukan titik-titik kuantum pada permukaan lapisan InGaN dalam proses pendinginan dua langkah berkorelasi dengan atom In, dan titik-titik kuantum ini mungkin merupakan salah satu keadaan In yang terbentuk karena reaksi antara InGaN lapisan dan gas pembawa H₂ dalam proses pendinginan kedua.

Topografi permukaan AFM sampel dengan pendinginan dua langkah. a lapisan GaN. b Lapisan InGaN dengan konten Dalam 1%

Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa terdapat tiga keadaan atom In yang berbeda dalam proses pertumbuhan lapisan InGaN [16, 17]. Yang pertama adalah atom In dalam kisi kristal paduan InGaN, yang merupakan bagian utama dan produk target pertumbuhan lapisan InGaN; yang kedua adalah paduan InN yang selalu muncul di permukaan lapisan InGaN; dan yang ketiga adalah In droplet yang mungkin muncul dalam beberapa kondisi pertumbuhan khusus. Keadaan atom In yang berbeda dapat dibedakan dengan spektrum XRD karena memiliki puncak difraksi yang berbeda dalam mode pemindaian /2θ. Untuk menentukan In state mana dari titik-titik ini, pengukuran XRD telah dilakukan untuk sampel InGaN dengan proses pendinginan satu atau dua langkah. Gambar 4 menunjukkan spektrum khas XRD /2θ untuk sampel dengan pendinginan dua langkah (garis merah) dan pendinginan satu langkah (garis biru). Tiga puncak karakteristik ditemukan untuk sampel dengan pendinginan dua langkah sedangkan hanya ada dua puncak karakteristik untuk sampel dengan pendinginan satu langkah. Jadi puncak karakteristik ekstra untuk sampel dengan pendinginan dua langkah dapat mewakili titik-titik kuantum yang terbentuk di permukaan. Dua puncak karakteristik yang umum ada pada sampel ini terletak di sekitar 33,5° dan 34,5°. Mereka masing-masing milik kristal InGaN dan GaN. Sedangkan puncak karakteristik ekstra yang terletak di 2θ = 32.8° telah diverifikasi berasal dari tetesan Masuk [16, 17]. Jadi kita dapat mengambil kesimpulan bahwa titik-titik kuantum yang kita amati pada permukaan InGaN dengan proses pendinginan dua langkah adalah tetesan In. Untuk mengkonfirmasi kesimpulan ini, pengukuran SEM telah dilakukan pada sampel dengan proses pendinginan dua langkah, hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 5a, dari mana kita juga dapat menemukan titik-titik yang ada di permukaan. Untuk mengidentifikasi titik-titik ini, EDS telah diambil di tempat yang sama, Gambar 5b-d menunjukkan distribusi atom permukaan untuk In, Ga, dan N, dari mana kita dapat memperoleh bahwa atom Ga dan N terdistribusi secara merata pada permukaan, sedangkan konsentrasi atom In pada titik-titik jauh lebih besar daripada sekelilingnya, yang menunjukkan bahwa titik-titik ini kaya akan In. Jadi digabungkan dengan analisis di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa gas pembawa H₂ dapat bereaksi dengan lapisan InGaN pada suhu rendah dan membentuk tetesan In di permukaan.

Spektrum XRD untuk sampel dengan pendinginan dua langkah (garis merah) dan pendinginan satu langkah (garis biru)

a Fotografi permukaan SEM untuk sampel dengan proses pendinginan dua langkah, b –d adalah hasil analisis unsur EDS untuk atom In, N, dan Ga berturut-turut

Telah dilaporkan bahwa sering terdapat lapisan In-rich yang terbentuk pada permukaan lapisan epitaksial InGaN karena efek tarikan permukaan [10]. Dalam percobaan kami, sampel langsung didinginkan ke suhu kamar setelah pertumbuhan lapisan InGaN tunggal, yang berarti bahwa lapisan permukaan yang kaya masih ada di permukaan dalam proses pendinginan. Oleh karena itu, ada dua kemungkinan asal atom In untuk In QD yang kami amati:lapisan InGaN dan lapisan permukaan kaya In. Untuk mengetahui asal mula atom In dari titik-titik kuantum In dan bagaimana reaksinya, dilakukan percobaan lebih lanjut. Diketahui bahwa proses annealing dapat menghapus lapisan In-rich [18]. Oleh karena itu, kami mengambil proses anil termal untuk sampel InGaN sebelum proses pendinginan dua langkah. Waktu proses thermal annealing diatur sebagai 60 s, dan suhu sekitar 800 °C yang 60° lebih tinggi dari suhu pertumbuhan lapisan InGaN. Topografi AFM sampel InGaN dengan proses annealing sebelum proses pendinginan dua langkah ditunjukkan pada Gambar 6, jelas tidak ada titik kuantum di permukaan. Namun, dibandingkan dengan Gambar 2a, perubahan besar topografi permukaan dapat ditemukan, permukaan menjadi lebih kasar. Tidak adanya titik kuantum In di permukaan menunjukkan bahwa lapisan InGaN tidak akan membentuk In QDs dengan H₂ dalam proses pendinginan kedua, karena anil termal hanya dapat menghapus lapisan kaya-dalam. Jadi pembentukan titik kuantum In pada permukaan lapisan InGaN dalam proses pendinginan dua langkah disebabkan oleh reaksi antara lapisan permukaan kaya-In dan gas pembawa H₂ dalam kisaran suhu rendah.

Topografi permukaan AFM dari lapisan InGaN dengan anil termal sebelum pendinginan dua langkah.

Efek korosif dari H₂ pada pertumbuhan lapisan InGaN sebagian besar telah dilaporkan. Diketahui bahwa H₂ dapat menghalangi atom In untuk bergabung ke dalam kisi [19, 20], dan itulah alasan utama mengapa secara konvensional hanya N₂ digunakan sebagai gas pembawa dalam pertumbuhan MOCVD lapisan InGaN. Efek korosif dari H₂ pada lapisan InGaN dapat dilihat sebagai proses kebalikan dari pertumbuhan lapisan InGaN, yang dapat dinyatakan dengan reaksi kimia berikut:

Pembentukan titik kuantum In dalam proses pendinginan dua langkah dapat dilihat sebagai semacam efek korosif, tetapi ada beberapa perbedaan antara suhu tinggi (untuk menumbuhkan InGaN dengan H₂ ) dan suhu rendah (untuk mendinginkan InGaN dan membentuk In QD dengan H₂ ). Pada suhu tinggi, atom In yang dibentuk oleh efek korosif pada permukaan memiliki energi yang cukup untuk lolos melintasi lapisan batas permukaan, sehingga menurunkan efisiensi penggabungan In. Namun, pada suhu rendah (di bawah 400 °C), hasil kami menunjukkan bahwa H₂ hanya memiliki efek korosif pada lapisan permukaan yang mengandung sangat dalam karena lapisan ini lebih tidak stabil daripada lapisan InGaN. Di sisi lain, karena suhu di bawah 400 °C, atom In yang terbentuk di permukaan lebih sedikit dapat lolos melintasi batas permukaan tepat waktu, sehingga mereka akan bermigrasi pada permukaan sampel dan kemudian membentuk tetesan In di permukaan.

Dalam penelitian kami, karena pembentukan In QD terkait dengan lapisan yang mengandung In tinggi pada permukaan InGaN, sehingga mereka dapat secara langsung memberikan beberapa informasi tentang lapisan In-kaya permukaan InGaN. Sampel lapisan InGaN dengan kandungan dan ketebalan In yang berbeda digunakan untuk melakukan eksperimen perlakuan pendinginan dua langkah. Gambar 7 menunjukkan topografi permukaan lapisan InGaN dengan kandungan dan ketebalan yang berbeda. Kandungan In masing-masing sebesar 7,65%, 8,45%, dan 9,6% untuk sampel A, B, dan C, dan ketebalan lapisan InGaN untuk ketiga sampel ini hampir sama (sekitar 13,4 nm). Dari morfologi permukaan AFM sampel A, B, dan C, kita dapat menemukan bahwa densitas In QDs meningkat dengan konten In di lapisan InGaN. Dan kepadatan QD adalah sekitar 2,4 × 10 ⁷ cm ⁻³ , 4.8 × 10 ⁷ cm ⁻³ , dan 9,2 × 10 ⁷ cm ⁻³ masing-masing untuk sampel A, B, dan C, sedangkan ukuran QDs untuk sampel ini hampir sama. Sedangkan sampel D memiliki kandungan In yang sama dengan sampel A (7,65%), sedangkan ketebalan lapisannya sekitar 41 nm. Bandingkan permukaan untuk dua sampel A dan D, jelas bahwa kerapatan titik-titik kuantum In meningkat ketika ketebalan lapisan InGaN meningkat. Dari analisis kami yang disebutkan di atas, diketahui bahwa pembentukan titik-titik kuantum ini disebabkan oleh reaksi H₂ dengan lapisan permukaan yang kaya pada suhu rendah. Jadi kecenderungan perubahan kerapatan In QD dapat mencerminkan keadaan lapisan permukaan yang kaya In, yaitu atom-atom In yang tidak stabil yang ada di lapisan permukaan yang kaya In, mereka meningkat seiring dengan peningkatan kandungan In dan ketebalan InGaN. lapisan. Hasil ini konsisten dengan studi teoritis sebelumnya yang telah menunjukkan bahwa kandungan In pada lapisan permukaan yang kaya In berhubungan dengan kandungan In dan ketebalan lapisan InGaN [21]. Ini juga membuktikan bahwa mekanisme pembentukan titik-titik kuantum In memang terkait dengan permukaan lapisan kaya-In.

Topografi permukaan AFM dari lapisan InGaN a , b , c , dan d dengan isi dan ketebalan yang berbeda (lihat teks)