氢辅助原子重排在GaN基多量子阱中增强结构均匀性与光学效率（750°C）

摘要

报道三个750°C低温生长的GaN基多量子阱（MQW）样品。替代常规升温退火，在InGaN量子阱沉积后中断期间引入氢/氨（H₂/NH₃)气体混合物。通过调节氢气流量，观察到MQW内显著原子重排。透射电镜（TEM）显示最优氢流产生锐利平坦界面和均匀铟分布。结果通过抑制非辐射复合显著提升发光效率。原子重排归因于H₂/NH₃环境增强镓和铟原子表面扩散，降低热力学平衡势垒。过量氢气则部分损伤MQW、降低光学性能。

引言

InGaN/GaN多量子阱是全可见光谱高效光电器件核心。高铟含量MQW生长用于蓝/绿LED和激光二极管仍具挑战，主要因高温抑制铟掺入，低温阻碍镓表面扩散导致三维生长和粗糙势垒层。此外InN与GaN巨大晶格失配促相分离和铟成分分级，进一步损害均匀性。诸多策略——高温势垒层生长、生长后升温退火、生长中断、氢辅助势垒层沉积——被探索以锐化界面、均匀铟分布。但多数仍依赖升温退火，限制铟掺入并可能降解高铟MQW。氢掺入InGaN生长通常因不利铟保留而避免。本研究在InGaN阱沉积后短暂中断期间引入可控H₂/NH₃混合物，无任何升温退火，考察其对MQW结构和光学性质影响。

实验过程

样品A、B、C在Thomas Swan 3×2 in.近耦合淋浴头反应器外延生长于c面蓝宝石。三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）、氨（NH₃）分别为Ga、In、N前驱体。各结构含2 μm Si掺杂GaN缓冲层、两周期非故意掺杂InGaN/(In)GaN MQW有源区、150 nm Mg掺杂GaN覆盖层。所有层在750°C生长。每个InGaN阱上沉积薄GaN帽层保护其免氢暴露影响。

样品A（参考）帽层后直接继续势垒层生长。样品B通入100 sccm H₂持续100 s，继而沉积势垒层。样品C通入200 sccm H₂同等时长。所有情况下NH₃流量维持3 slm，确保氢处理期间混合H₂/NH₃气氛。其余生长参数三样品一致。

结构分析用JEOL JEM-F200 TEM。高分辨X射线衍射（HRXRD）在Rigaku SmartLab进行。温度依赖光致发光（TD-PL）谱用325 nm He-Cd激光30–300 K记录。微区PL（μ-PL）成像用Nikon A1共聚焦显微镜、405 nm激光激发。

结果与讨论

室温光致发光

室温PL谱显示样品B（100 sccm H₂处理）发射最强，样品C中等，样品A最弱。所有样品主峰近455 nm，对应InGaN/GaN带间跃迁，次峰~365 nm属近带隙GaN发射。结果表明适度氢流增强发光，过量氢降解性能。

MQW界面TEM分析

TEM图像揭示样品A量子阱/势垒界面起伏、阱面显著铟聚集。相反样品B、C显示陡峭平坦界面、厚度波动极小。样品B铟分布均匀，样品C界面破坏，暗示高氢通量下部分酸蚀。观察证实最优H₂流量（100 sccm）诱导原子重排平滑界面、均匀化铟。

氢诱导重排机制

750°C下镓原子表面迁移率有限，倾向三维势垒生长和起伏界面。铟原子因与GaN巨大溶度间隙趋于聚集。引入H₂于NH₃中增加NH₂自由基表面覆盖，降低Ga和In原子结合能，从而增强其扩散和解吸。100 s氢暴露期间镓和铟可迁移更长距离，达热力学平衡、扁平化界面。铟富集簇优先解吸导致成分更均匀。过量氢（200 sccm）进一步增加铟解吸并引入刻蚀，造成样品C界面损伤。

HRXRD结构参数

围绕(0002)反射ω-2θ扫描经Global Fit拟合。样品B铟含量较样品A轻微降低，归因氢诱导阱刻蚀。样品C阱厚度和铟含量进一步减少，势垒层变厚且铟更丰富（因解吸铟再掺入）。趋势与TEM发现一致。

低温PL与发光均匀性

30 K下所有样品显示主峰上方~90 meV声子副本，指示GaN声子耦合。样品A峰能低于B和C，反映其较高铟含量。半峰全宽（FWHM）分别为12.3 nm（A）、10.1 nm（B）、12.6 nm（C）。样品B最窄FWHM确认铟分布和阱厚度均匀性最优。

温度依赖PL位移

所有样品随温升先蓝移后红移，GaN基MQW定域态动力学特征。蓝移幅度样品A最大、B最小，指示样品B定域景观最均匀。样品C显明显红移转折温度（~160 K）区别于A、B（~200 K），可能因界面损伤改变载流子定域。

微区PL映射

μ-PL图像显示样品A含众多非发光斑点，反映铟聚集相关非辐射中心。样品B此类斑点显著减少，符合铟均匀性改善。样品C重现少量小非发光区，归因部分受损MQW。

内量子效率

用积分PL强度比I_300K/I_30K作IQE代理，样品B达30.21%，远超样品A（1.61%）和C（18.48%）。提升源于界面扁平、铟分布均匀、非辐射复合抑制。过量氢因界面损伤降低IQE。

结论

证明在750°C无升温退火条件下，InGaN阱沉积后短暂H₂/NH₃处理诱导原子重排，产生平坦锐利MQW界面和均匀铟分布。该工艺使发光强度增三倍、IQE达30%。但氢流量须严格控制；过量通量损伤阱、降解性能。