Penataan Ulang Atom Sumur Kuantum Ganda Berbasis GaN dalam Gas Campuran H2/NH3 untuk Meningkatkan Sifat Struktural dan Optik

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan spektrum PL dari tiga sampel yang diukur pada suhu kamar (300 K). Untuk membandingkan sifat luminescent secara efektif, spektrum PL dari tiga sampel diukur pada kondisi yang sama, seperti lebar celah spektrometer, waktu integrasi dan tegangan gain detektor. Tercatat bahwa intensitas PL puncak utama sampel B yang diberi perlakuan hidrogen 100 sccm adalah yang tertinggi di antara ketiga sampel tersebut. Intensitas puncak PL sampel C lebih lemah dari sampel B, tetapi lebih kuat dari sampel A. Panjang gelombang puncak utama untuk ketiga sampel sekitar 455 nm, yang sesuai dengan energi transisi interband dari InGaN/GaN MQWs. Di sisi energi yang lebih tinggi, puncak kecil muncul di sekitar 365 nm, yang sesuai dengan pendaran celah pita dekat GaN. Hasilnya menunjukkan bahwa fluks hidrogen yang sesuai (100 sccm) selama pengolahan hidrogen dapat secara signifikan meningkatkan kinerja luminescent, tetapi kinerja luminescent akan sedikit menurun bila menggunakan fluks hidrogen yang terlalu tinggi (200 sccm).

Spektrum PL dari tiga sampel pada 300 K. Intensitas pendaran sampel B yang diolah dengan hidrogen 100sccm adalah yang terkuat di antara ketiga sampel

Untuk menyelidiki apa yang terjadi pada wilayah MQW selama perlakuan hidrogen, gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) dari tiga sampel ditunjukkan pada Gambar 2. Tiga poin utama harus diperhatikan pada Gambar 2. Pertama, antarmuka antara lapisan QW dan lapisan QB dalam sampel A bergelombang, dan ketebalan QW bervariasi secara signifikan seperti yang ditandai dengan garis putus-putus merah. Tetapi antarmuka MQW dalam sampel B dan C curam dan datar, yang dapat dibedakan dengan jelas pada Gambar 2 dengan jelas. Fluktuasi ketebalan QW sampel B dan C kecil. Kedua, distribusi atom di lapisan QW sampel A tidak seragam tetapi cenderung berkumpul di dekat dan di beberapa tempat permukaan lapisan sumur, seperti yang ditunjukkan oleh panah merah. Karena satu-satunya perbedaan antara lapisan QB dan QW adalah kandungan indium, atom yang terkumpul harus disebabkan oleh segregasi indium. Fenomena seperti itu sebenarnya telah diamati dalam laporan sebelumnya [11]. Agregasi atom tidak ditemukan pada sampel B dan sampel C. Ketiga, dibandingkan dengan sampel B, antarmuka mengalami gangguan pada sampel C seperti yang ditunjukkan oleh panah hijau. Singkatnya, ketika menggunakan fluks 100 sccm untuk pengolahan hidrogen, tidak hanya antarmuka MQW menjadi curam dan datar, tetapi juga distribusi atom indium menjadi lebih seragam. Namun, ketika fluks hidrogen meningkat menjadi 200 sccm, gangguan muncul di antarmuka lagi. Perlu dicatat bahwa keseragaman lapisan MQW seperti yang ditunjukkan pada sampel B biasanya hanya dapat dicapai setelah proses peningkatan suhu [19]. Namun di sini, keseragaman MQW dapat dicapai pada suhu rendah (750 °C) melalui proses pengolahan hidrogen.

Penampang gambar TEM sampel A, B dan C. Pada gambar sampel A, garis putus-putus merah menandai antarmuka MQWs bergelombang dan panah merah menunjukkan cluster kaya indium di MQWs. Pada gambar sampel C, panah hijau menunjukkan antarmuka bagian MQW yang rusak

Untuk memahami mekanisme perlakuan hidrogen yang mempengaruhi kualitas wilayah MQW, alasan kualitas MQW yang lebih buruk pada sampel A tanpa perlakuan hidrogen harus diketahui terlebih dahulu. Temperatur deposisi GaN yang sesuai adalah di atas 1000 °C dimana mode pertumbuhan lapisan epitaksial GaN cenderung menjadi mode step-flow [26, 27]. Namun, karena rendahnya suhu deposisi InGaN/(In)GaN MQWs yang sekarang serendah 750  °C, atom Ga sulit untuk bermigrasi ke tepi anak tangga karena mobilitas permukaan atom yang terbatas. Akibatnya, mode pertumbuhan lapisan penghalang GaN cenderung menjadi mode pertumbuhan pulau 3D dan lapisan epitaksial berada dalam keadaan termodinamika metastabil [28]. Dengan demikian, permukaan mudah bergelombang seperti yang ditunjukkan secara skematis oleh garis putus-putus merah pada Gambar 2. Di sisi lain, dalam sampel A, atom indium ditemukan berkumpul sebagai gugus kaya indium pada permukaan QWs. Perilaku tersebut terutama disebabkan oleh kesenjangan miscibility besar antara GaN dan InN, yang disebabkan oleh ketidaksesuaian besar antara GaN dan InN [15].

Selama proses pengolahan hidrogen, amonia (NH₃ ) masih dimasukkan ke dalam ruang reaksi. Menurut laporan sebelumnya, tingkat cakupan permukaan NH₃ kontennya relatif rendah (sekitar 25%) dan komposisi utama liputannya adalah NH₂ radikal (sekitar 75%) [28, 29]. Dalam cakupan NH₃ yang begitu rendah , energi ikat dari galium (Ga)/indium (In) ke permukaan relatif tinggi, menyebabkan tingkat difusi permukaan yang rendah dan desorpsi yang lemah dari adatom [29, 30]. Karena H₂ adalah produk dekomposisi amonia, dan laju dekomposisi NH₃ menurun dan cakupan permukaan NH₃ meningkat selama proses pengolahan hidrogen, sebagai akibatnya, melemahnya energi ikat dari galium/indium adatom yang disebabkan oleh peningkatan cakupan NH₃ meningkatkan laju difusi permukaan dan desorpsi galium/indium adatom. Sementara itu, hidrogen dimasukkan ke dalam ruang reaksi selama 100 detik, yang memungkinkan adatom galium dan indium memiliki panjang difusi yang lebih jauh. Oleh karena itu, adatom galium dan indium lebih mudah mencapai keadaan tunak termodinamika, dan antarmuka menjadi datar dan curam. Selain itu, di lingkungan gas campuran H₂ dan NH₃ , cluster kaya indium akan lebih mudah terdesorbsi daripada daerah miskin indium [31]. Dengan demikian, distribusi kandungan indium akan lebih seragam di seluruh lapisan sumur, menghasilkan homogenitas MQW sampel B yang lebih baik. Namun, ketika fluks hidrogen yang berlebihan (200 sccm) dimasukkan ke dalam ruang reaksi, desorpsi indium adatom akan meningkat lebih lanjut dan lapisan QW sebagian rusak karena efek etsa hidrogen [32] seperti yang ditunjukkan pada gambar penampang TEM sampel C pada Gambar. 2.

Perlu dicatat bahwa, Czernecki et al. melaporkan bahwa ketika perlakuan hidrogen dilakukan antara pertumbuhan penghalang dan lapisan sumur, sumur kuantum akan tergores dan menjadi bergelombang [28]. Namun, efek etsa semacam itu belum diamati dalam pekerjaan kami. Diasumsikan bahwa ada dua alasan utama untuk perbedaan tersebut. Pertama, ion hidrogen yang akan menyebabkan efek etsa lebih sedikit karena suhu rendah dan jumlah fluks hidrogen yang lebih kecil. Kedua, sebelum perlakuan hidrogen, lapisan penutup GaN tipis diendapkan pada lapisan QW, yang dapat melindungi lapisan sumur InGaN dari efek etsa. Oleh karena itu, dalam campuran gas NH₃ dan H₂ , MQW menjadi seragam karena proses penataan ulang atom semacam itu.

Karena skala gambar TEM dalam nanometer, properti struktur dalam skala yang lebih besar diselidiki oleh difraktometer sinar-X resolusi tinggi Rigaku SmartLab (HRXRD). Kurva pindai -2θ pada (0002) ditunjukkan pada Gambar. 3 dan parameter InGaN/GaN MQW diperoleh dengan memasang kurva pindai -2θ yang diukur dengan menggunakan program Global Fit, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Ditemukan bahwa sampel B memiliki parameter struktur yang mirip dengan sampel A kecuali kandungan indiumnya yang relatif lebih rendah dari lapisan sumur InGaN. Penurunan kandungan indium dalam QWs untuk sampel B terutama disebabkan oleh efek etsa hidrogen. Selain itu, tidak hanya kandungan indium, tetapi juga ketebalan QWs, terbukti berkurang dalam sampel C, yang disebabkan oleh efek reaksi berlebihan dari H₂ perlakuan. Juga dicatat bahwa kandungan indium dan ketebalan lapisan QB dari sampel C meningkat secara nyata dibandingkan dengan sampel A dan B. Ini menunjukkan bahwa ketika fluks hidrogen terlalu tinggi selama perlakuan hidrogen, bagian dari atom indium yang terdesorbsi akan bergabung menjadi QB, menghasilkan ketebalan yang lebih besar dan kandungan indium dari lapisan QB.

Kurva pemindaian -2θ pada (0002) sampel A, B dan C yang diukur dengan difraktometer sinar-X resolusi tinggi (HRXRD)

Pengaruh perlakuan hidrogen pada sifat struktur telah dibahas secara rinci melalui gambar TEM dan XRD. Dalam beberapa bagian berikutnya, bagaimana perubahan sifat struktur mempengaruhi sifat optik akan dipelajari lebih lanjut.

Gambar 4 menunjukkan spektrum PL yang diukur pada 30 K dan perbandingan beberapa fitur PL dari tiga sampel. Karena kemampuan transfer pembawa yang lemah dan penekanan pusat non-radiatif pada suhu rendah, hasil PL pada 30 K biasanya digunakan untuk mengkarakterisasi sifat optik pusat rekombinasi radiasi di MQW. Pada Gambar. 4a, puncak samping jelas ditunjukkan dalam spektrum PL untuk ketiga sampel. Kesenjangan energi antara puncak samping dan puncak utama adalah sekitar 90 meV, yang mendekati energi fonon optik GaN. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa puncak samping adalah replika fonon [33]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, energi puncak sampel A jauh lebih rendah daripada sampel B dan C, yang sesuai dengan hasil HRXRD. Namun energi puncak sampel C sedikit lebih rendah daripada energi puncak sampel B, yang mungkin disebabkan oleh keseragaman MQW sampel C yang lebih buruk. Gambar 4c menunjukkan lebar penuh pada setengah magnitudo (FWHM) spektrum PL pada 30 K. FWHM spektrum PL sampel A, B, dan C masing-masing adalah 12,3 nm, 10,1 nm, dan 12,6 nm, yang menunjukkan bahwa sampel B memiliki keseragaman pendaran terbaik. Perhatikan bahwa FWHM untuk sampel C berada pada level yang sama dengan sampel A, yang berarti diskontinuitas pada antarmuka MQW sangat memperburuk keseragaman pusat luminesensi.

Spektrum PL pada 30 K (a ); energi puncak (b ) dan FWHM (c ) sampel A, B dan C melalui gauss fit spektrum PL

Untuk memeriksa lebih lanjut sifat pendaran dari tiga sampel, Gambar 5a menunjukkan kurva energi puncak spektrum PL versus suhu untuk tiga sampel. Energi puncak dari semua sampel biru bergeser terlebih dahulu dan kemudian merah bergeser seiring dengan meningkatnya suhu. Sebagaimana diketahui, pada bahan semikonduktor, energi puncak akan bergeser merah dengan meningkatnya suhu karena efek penyusutan celah pita. Tetapi dalam MQW berbasis GaN, pergeseran biru energi puncak dengan peningkatan suhu telah diamati. Pergeseran biru seperti itu disebabkan oleh distribusi energi yang berbeda dari keadaan terlokalisasi di QWs. Ketika suhu meningkat, pembawa berpindah dari keadaan terlokalisasi yang dalam ke keadaan terlokalisasi yang dangkal. Posisi energi yang terakhir terletak lebih tinggi [34, 35]. Jadi, semakin besar pergeseran biru, semakin tidak homogen distribusi keadaan terlokalisasi. Sampel A memiliki pergeseran biru terbesar, dan sampel B memiliki pergeseran biru terendah di antara ketiga sampel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, yang menunjukkan bahwa sampel B memiliki distribusi status lokalisasi MQW yang paling homogen di antara ketiga sampel. Dikombinasikan dengan hasil gambar TEM pada Gambar 2, dua aspek menyebabkan ketidakhomogenan sampel A:fluktuasi ketebalan sumur yang lebih besar dan komposisi indium yang tidak homogen. Selain itu, juga dicatat bahwa sampel C memiliki suhu perubahan pergeseran merah yang berbeda yaitu 160 K, sedangkan untuk sampel A dan sampel B 200 K, yang menunjukkan bahwa fluks hidrogen yang berlebihan selama perlakuan dapat menimbulkan penyebab baru yang mengarah ke pergeseran biru dalam sampel C. Mempertimbangkan bahwa antarmuka MQW sebagian rusak oleh hidrogen yang berlebihan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, mungkin juga menjadi alasan peningkatan pergeseran biru. Seperti yang dilaporkan dalam literatur, pergeseran merah juga sering muncul pada tahap suhu yang lebih rendah [34], tetapi tidak diamati dalam pekerjaan ini. Hal ini mungkin disebabkan oleh ketinggian penghalang potensial yang lebih rendah yang menghalangi pengangkut yang diangkut dari perangkap yang lebih dangkal ke perangkap yang lebih dalam.

a Kurva energi puncak versus suhu untuk sampel A, B dan C; panah menunjukkan suhu balik shift merah. b Besarnya pergeseran biru sampel A, B dan C; dan sampel B memiliki jumlah pergeseran biru terendah

Keterbatasan TDPL adalah hanya mencirikan karakteristik pendaran keseluruhan sampel karena tidak memiliki resolusi spasial dari sifat emisi. Oleh karena itu, mikro-PL sampel A, B dan C masing-masing diukur dan ditunjukkan pada Gambar 6a-c. Secara signifikan, jumlah dan ukuran area non-pendaran dalam sampel A adalah yang terbesar. Setelah proses pengolahan hidrogen 100sccm, daerah non-luminescence jelas jauh berkurang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. B. Telah diketahui dengan baik bahwa atom indium cenderung terakumulasi di sekitar cacat dislokasi, menghasilkan efek restriksi yang kuat pada pembawa di sekitar area tersebut. Selama proses pengolahan hidrogen, laju difusi permukaan yang lebih besar dan proses desorpsi menghilangkan agregasi klaster kaya indium. Dengan demikian, sampel B memiliki lebih sedikit area non-pendaran. Namun, ketika fluks hidrogen yang berlebihan (200 sccm) dimasukkan ke dalam ruang reaksi, beberapa area kecil non-pendaran muncul kembali pada gambar mikro-PL seperti yang ditunjukkan oleh panah merah pada Gambar 6c. Hal ini terutama disebabkan oleh bagian MQW yang rusak sebagian seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.

Perbandingan hasil micro-PL untuk sampel A, B, dan C yang sesuai dengan (a ), (b ) dan (c ), masing-masing. Panah merah menunjukkan wilayah pendaran non-radiatif dengan ukuran lebih kecil dalam sampel C

Melalui hasil dan diskusi di atas, sampel B memiliki sifat pendaran paling seragam dan area rekombinasi non-radiatif paling sedikit. Sifat optik ini sesuai dengan intensitas luminesensi terkuat pada Gambar 1 dengan sangat baik. Untuk memeriksa lebih lanjut kinerja ketiga sampel, metode perkiraan untuk menghitung efisiensi kuantum internal (IQE) disajikan. Ambil efisiensi kuantum internal pada 30 K sebagai 100%, maka IQE pada suhu kamar dapat dihitung secara kasar dengan ekspresi berikut:

Aku _300rb mewakili intensitas terintegrasi spektrum PL pada 300 K dan I _30rb mewakili intensitas terintegrasi spektrum PL pada 30 K. Hasil IQE untuk tiga sampel ditunjukkan pada Gambar 7. IQE meningkat tajam dari 1,61 menjadi 30,21% saat menggunakan fluks hidrogen yang sesuai selama perlakuan hidrogen. Alasan utama untuk peningkatan besar dalam IQE sampel B adalah keseragaman yang lebih baik dari komposisi indium dan ketebalan MQWs dan pusat rekombinasi non-radiatif yang berkurang seperti yang dibahas di atas. Di sisi lain, ketika menggunakan hidrogen yang berlebihan (200sccm), IQE menurun dari 30,21% menjadi 18,48% yang terutama disebabkan oleh MQW yang rusak sebagian.

Efisiensi kuantum internal (IQE) sampel A, B dan C. IQE sampel B setinggi 30,21%