Investigasi pada Sifat Optik Sumur Kuantum Ganda InGaN/GaN dengan Ketebalan Lapisan Tutup GaN yang Bervariasi

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan pola difraksi bidang (0002) yang diambil oleh pemindaian -2θ untuk sampel ini. Puncak satelit dari sampel ini dapat dilihat dengan jelas, menunjukkan bahwa struktur periodik yang baik dan antarmuka yang tajam ada di MQW ini. Kami menggunakan program SmartLab Studio II dan Global Fit (menawarkan metode pemasangan dasar tempering paralel canggih untuk menganalisis data yang dihasilkan oleh difraktometer SmartLab) untuk mendapatkan komposisi rata-rata, dan ketebalan QB dan QW, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Dapat dengan jelas terlihat bahwa komposisi In pada QW meningkat dengan bertambahnya ketebalan lapisan tutup LT-GaN, menunjukkan bahwa lapisan tutup yang lebih tebal lebih efektif dalam mencegah penguapan komposisi In. Gambar 1b menunjukkan pemetaan ruang timbal balik (RSM) sampel C. Puncak GaN utama dan puncak satelit berada pada satu garis, menunjukkan bahwa lapisan QW dengan kandungan In tertinggi di semua sampel benar-benar tegang. Oleh karena itu, pengaruh medan piezoelektrik pada sifat cahaya harus dipertimbangkan.

a XRD -2θ memindai kurva pada rencana GaN (0002) untuk sampel A, B, dan C. b Pemetaan ruang timbal balik dari sampel C

Gambar 2 menunjukkan spektrum EL sampel A, B, dan C di bawah arus 5 mA. Panjang gelombang puncak adalah 453,6 nm, 456,3 nm, dan 466,7 nm untuk sampel A, B, dan C, masing-masing. Dari hasil pengukuran XRD, semakin tebal lapisan tutup LT-GaN maka peningkatan komposisi In pada QWs akan menginduksi pergeseran merah energi puncak EL. Kami juga menemukan penurunan intensitas EL dengan meningkatnya ketebalan lapisan tutup LT-GaN. Diketahui bahwa lapisan penghalang GaN yang lebih tebal (ketebalan total lapisan tutup LT-GaN dan HT-GaN QB) meningkatkan jarak lubang dari p-GaN ke daerah aktif, menghasilkan pengurangan efisiensi injeksi lubang, yang mengarah ke penurunan intensitas EL [11, 12]. Selain itu, peningkatan komposisi In akan meningkatkan medan piezoelektrik di lapisan InGaN QW, sehingga kemiringan pita energi diperburuk, yang mengakibatkan pergeseran merah emisi puncak dan penurunan efisiensi cahaya, yang dikenal sebagai Stark yang dibatasi kuantum. efek (QCSE) [13,14,15]. Untuk memverifikasi pengaruh QCSE pada EL, energi puncak, dan FWHM dari perubahan EL dengan injeksi berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3. Saat arus injeksi meningkat, pergeseran biru energi puncak emisi dapat dianggap berasal dari efek pengisian pita dan QCSE dikompensasi oleh efek penyaringan elektron [16,17,18]. Karena sampel C dengan komposisi In terbanyak memiliki sumur potensial terdalam dan medan piezoelektrik terkuat, efek pengisian pita dan efek penyaringan muatan adalah yang paling signifikan, sehingga jumlah pergeseran biru energi puncak EL adalah yang terbesar untuk sampel C (166 meV ). Efek pengisian pita dan efek penyaringan muatan dalam sampel A adalah yang paling lemah, sehingga penyusutan celah pita karena efek termal secara bertahap dominan di bawah arus injeksi tinggi (50 mA), menghasilkan pergeseran merah energi puncak. Untuk sampel A, FWHM meningkat dengan meningkatnya arus injeksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, menunjukkan bahwa pelebaran spektrum EL yang disebabkan oleh efek pengisian pita selalu dominan. Telah dilaporkan bahwa penyaringan muatan medan listrik terpolarisasi di QWs InGaN akan menyebabkan penyempitan bandwidth spektral EL dengan meningkatnya arus injeksi [19]. Oleh karena itu, untuk sampel B dan C, efek pengisian pita signifikan pada arus injeksi yang lebih rendah, dan spektrum EL diperluas. Saat arus injeksi meningkat lebih lanjut, penyaringan pembawa proses medan listrik terpolarisasi secara bertahap mengambil alih, sehingga FWHM menurun. Selain itu, kami juga menemukan bahwa arus yang sesuai dengan titik balik FWHM dari naik ke turun untuk sampel B dan C masing-masing sekitar 10 mA dan 20 mA, yang juga menyiratkan bahwa medan piezoelektrik dalam sampel C adalah yang terkuat.

Spektrum EL sampel A, B, dan C di bawah arus 5 mA

(a ) energi puncak EL dan (b ) EL lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) sebagai fungsi arus injeksi untuk sampel A, B, dan C

Gambar 4a menunjukkan spektrum PL suhu kamar untuk sampel A, B, dan C pada daya eksitasi laser semikonduktor GaN 5 mW 405 nm. Panjang gelombang puncak adalah 473.1 nm, 472.9 nm, dan 478.2 nm untuk sampel A, B, dan C, masing-masing. Karena intensitas PL sampel B dan C pada Gambar 4a relatif lemah, kami juga menggunakan laser He-Cd 325 nm sebagai sumber eksitasi untuk menjalankan eksperimen fotoluminesensi. Hasil eksperimen PL pada Gambar 4a dan b konsisten satu sama lain, yang menghilangkan ketidakpastian hasil eksperimen yang diperoleh dari Gambar 4a. Dibandingkan dengan hasil pengukuran EL dari Gambar 2, kami menemukan beberapa anomali pada Gambar 4a:(1) Sampel A mengandung komposisi kurang dari sampel B, tetapi panjang gelombang puncak sampel A sedikit lebih panjang dari sampel B; (2) intensitas PL sampel B dan C mirip satu sama lain, dan intensitas cahaya sampel A jauh lebih tinggi daripada sampel B dan C. Untuk mengetahui alasan yang relevan untuk menjelaskan anomali ini, PL tergantung suhu (TDPL) ) dilakukan untuk tiga sampel, dan energi puncak PL sebagai fungsi suhu ditunjukkan pada Gambar. 5. Untuk sampel B, energi puncak emisi secara monoton menurun dengan meningkatnya suhu. Secara umum, peningkatan penyusutan celah pita yang diinduksi suhu akan menghasilkan pergeseran merah energi emisi. Namun, ada pergeseran biru yang mencolok dalam sampel A ketika suhu meningkat dari 70 K ke 190 K. Redistribusi termal dari rangsangan terlokalisasi telah diperkenalkan untuk menjelaskan pergeseran biru emisi abnormal di TDPL:dengan kenaikan suhu, rangsangan lokal diaktifkan secara termal dan transfer termal dari minimum potensial keadaan lokalisasi ke keadaan energi yang lebih tinggi [5, 20, 21]. Untuk sampel C, energi puncak PL hampir tidak berubah dalam kisaran 50 K hingga 175 K, menunjukkan efek penyusutan celah pita dan efek lokalisasi eksiton saling mengimbangi.

Spektra PL suhu kamar untuk sampel A, B, dan C dengan menggunakan laser semikonduktor GaN 405 nm (a ) dan laser He-Cd 325 nm (b ). Panjang gelombang puncak adalah 473.1 nm, 472.9 nm, dan 478.2 nm diperoleh dari (a ) dan 470.5 nm, 470.1 nm, dan 475.2 nm diperoleh dari (b ) untuk sampel A, B, dan C, masing-masing

Garis merah di (a ), (b ), dan (c ) adalah kurva pas berdasarkan Persamaan. (1) dan parameter pas σ adalah 36,96 meV, 18,89 meV, dan 23,77 meV untuk sampel A, B, dan C, masing-masing. (d ) Menampilkan data eksperimen energi puncak PL sebagai fungsi suhu

Mempertimbangkan efek lokalisasi eksiton, model ekor pita dapat direvisi menjadi ekspresi berikut untuk menggambarkan energi puncak emisi yang bergantung pada suhu [22, 23]:

dimana E ₀ (0) adalah celah pita di T =0, α dan β adalah parameter Varshini, k _B adalah konstanta Boltzmann. Istilah ketiga σ adalah standar deviasi dari distribusi lokal dan menggambarkan tingkat efek lokalisasi, yaitu nilai yang lebih besar dari σ berarti ketidakhomogenan yang lebih kuat dari status lokalisasi. Fluktuasi komposisi In dalam InGaN mungkin menjadi alasan utama terbentuknya band tail. Keadaan di ekor pita terbentuk pada energi potensial lokal minimum, mirip dengan titik-titik kuantum. Rekombinasi pasangan elektron-lubang di titik-titik kuantum yang terbentuk sendiri ini dapat dianggap sebagai rekombinasi eksiton lokal [24, 25]. Model ini tidak dapat diterapkan pada suhu rendah karena degenerasi yang kuat dan kemungkinan penyimpangan dari quasi-equilibrium [20]. Parameter pas σ adalah 36,96 meV, 18,89 meV, dan 23,77 meV masing-masing untuk sampel A, B, dan C, yang menyiratkan bahwa status lokalisasi sampel A dengan lapisan penutup tertipis adalah yang paling tidak homogen. Secara umum, status lokalisasi berasal dari cluster In-rich dengan ukuran berbeda dan fluktuasi ketebalan QW pada paduan InGaN. Oleh karena itu, kami cukup percaya bahwa lapisan tutup LT-GaN yang lebih tipis tidak dapat secara efektif mencegah penguapan indium saat meningkatkan suhu ke lapisan GaN QB yang tumbuh. Proses evaporasi acak komposisi indium mengakibatkan fluktuasi kandungan In dan ketebalan InGaN QW. Untuk sampel B, lapisan tutup GaN dengan ketebalan 1,8 nm cukup tebal untuk melindungi In dari desorpsi untuk membentuk lapisan QW InGaN yang lebih seragam. Keadaan lokalisasi yang tidak homogen biasanya mempertahankan keadaan potensial yang lebih dalam dan menghasilkan pergeseran merah energi puncak emisi. Itulah sebabnya panjang gelombang puncak sampel A lebih panjang dari sampel B yang diamati dari Gambar 4. Selain itu, peningkatan komposisi In pada lapisan InGaN QW juga akan mendorong pembentukan kluster In ukuran besar, yang menjelaskan mengapa efek lokalisasi eksiton pada sampel C dengan kandungan indium tertinggi sedikit lebih kuat dari sampel B.

Gambar 6 menunjukkan intensitas PL terintegrasi sebagai fungsi suhu untuk sampel A dan C, yang dapat dicocokkan dengan baik dengan ekspresi berikut [5, 26]:

Intensitas PL terintegrasi sebagai fungsi suhu balik untuk sampel A, B, dan C

dimana C _i adalah konstanta yang sesuai dengan kepadatan pusat rekombinasi non-radiatif, dan E _i mewakili energi aktivasi pusat rekombinasi non-radiatif. Parameter pas C _i dan E _i ditunjukkan pada Tabel 2. Terlihat bahwa tegangan photomultiplier dalam spektrometer kisi untuk sampel B ditetapkan lebih rendah dari sampel A dan C selama pengukuran PL yang bergantung pada suhu; oleh karena itu, intensitas PL terintegrasi sampel B adalah yang terendah, tetapi tidak mempengaruhi hasil pemasangan.

C ₂ untuk sampel B dan C lebih besar dari sampel A, menunjukkan bahwa lebih banyak cacat terbentuk pada lapisan tutup LT-GaN yang lebih tebal. Telah diamati bahwa cacat pada lapisan LT-cap meningkat dengan meningkatnya ketebalan lapisan LT-cap [6, 10]. Pengaruh cacat pada lapisan tutup LT-GaN di sebelah sumur kuantum pada intensitas PL signifikan karena fungsi gelombang elektron dan lubang menembus ke dalam penghalang. Energi aktif 79,67 meV (E _a2 untuk sampel A) terkait dengan emisi lubang dari QWs diikuti oleh jebakan oleh cacat penghalang dan rekombinasi nonradiatif, yang terdiri dari laporan Olaizola [6]. Kami juga membandingkan gambar mikro-PL sampel A, B, dan C seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Bintik-bintik gelap pada gambar mikro-PL dapat dikaitkan dengan rekombinasi nonradiatif di wilayah aktif InGaN/GaN. Dibandingkan dengan sampel A, bintik-bintik gelap ukuran lebih besar dapat diamati dengan jelas pada sampel B dan C, menunjukkan bahwa lebih banyak cacat ada pada lapisan tutup LT-GaN yang lebih tebal. Secara umum, anil termal diimplementasikan mengikuti lapisan tutup LT untuk mengurangi klaster indium di lapisan InGaN dan meningkatkan kualitas kristal. Jika lapisan tutup terlalu tebal, efek anil termal akan melemah, dan pembentukan lebih banyak endapan indium logam akan menghambat adatom difusi lapisan tutup GaN dan menyebabkan lebih banyak cacat pada lapisan tutup LT. Munculnya lebih banyak cacat dan QCSE yang lebih kuat dalam MQW InGaN/GaN dengan lapisan tutup LT-GaN yang lebih tebal tidak menguntungkan untuk meningkatkan intensitas luminesensi, jadi mengapa intensitas PL dari C sebanding dengan B? Faktanya, status lokalisasi juga memainkan peran penting dalam meningkatkan efisiensi cahaya. Pembawa dapat ditangkap ke dalam keadaan terlokalisasi dan bergabung kembali secara radiasi. Semakin kuat efek terlokalisasi eksiton, semakin banyak pembawa tidak akan ditangkap menjadi cacat, yang tampaknya menjelaskan intensitas PL sampel B dan C serupa satu sama lain, dan intensitas cahaya sampel A jauh lebih tinggi daripada sampel B dan C.

Gambar mikro-PL sampel A, B, dan C dengan berbagai ketebalan lapisan tutup LT-GaN (a ) 1 nm, (b ) 1,8 nm, dan (c ) 3.0 nm