硅衬底上 InGaN/GaN 多量子阱中的应变控制复合

背景

InGaN/GaN 多量子阱 (MQW) 结构生长在硅衬底上而不是传统的蓝宝石上，因其在低成本固态照明、面板显示和硅光子学中的潜在应用而受到越来越多的关注 [1,2,3,4, 5]。在 Si 上制造高质量 GaN 膜的关键障碍是 GaN 和 Si 之间的热膨胀失配 (56%)，这会给生长的 GaN 膜引入大的拉伸应力和裂纹 [6,7,8,9]。此外，MQW 层下方的 Si 掺杂 n 型 GaN 层对于发光二极管 (LED) 或激光二极管 (LD) 是必需的。在这些情况下，会引入来自 Si 掺杂的额外拉伸应力。 近年来，通过使用具有合适压缩应力的中间层来抵消拉伸应力，已经努力克服这些困难 [10,11,12,13,14, 15,16]，用于应变弛豫的δ掺杂 [17, 18]，或晶格匹配缓冲层沉积 [19, 20]。根据之前的工作[17]，n 型 GaN 层的周期性 Si δ 掺杂结构可以获得比 Si 均匀掺杂的 GaN 更高的晶体质量和更低的裂纹密度的更光滑的 GaN 层。这归因于拉伸应力的降低。已经进行了几项工作来检查蓝宝石 [21, 22] 或硅衬底 [23] 上的晶体 GaN/Si δ 掺杂 GaN 层的表面形态、位错密度和电性能。不幸的是，他们中很少有人直接研究 Si δ 掺杂 GaN 层顶部的 InGaN/GaN MQW 结构的发光特性，并阐明了由薄膜结构改进引起的发光效率增强和应变释放之间的关系，这对器件至关重要制造。还值得一提的是，在不破坏 LED 样品的情况下直接测量应变或观察晶格畸变是很困难的。间接方法总是用于评估内部应变。例如，施加机械压力来调节内部应变，导致 MQW 内部压电场的变化以及 LED 器件的光电性能 [24,25,26,27]。在任何一种情况下，发光光谱测量对于检查应变相关的器件性能都是必不可少的。

因此，在这项工作中，InGaN/GaN MQW LED 结构沉积在晶体硅衬底上。为了比较，生长了用作 n 型 GaN 层的 Si 均匀掺杂的 GaN 或周期性 Si δ 掺杂的 GaN。此外，还制备了另外两个基于 Si 均匀掺杂的 n 型 GaN 层的对照样品，分别插入了薄层 AlGaN 或 InGaN，用于支持分析压应力或拉应力对器件性能的影响，如 AlGaN晶格常数比GaN小，会部分释放表面的拉应力，而InGaN插入层反而会加剧拉应力。从温度变化的稳态 (SS) PL 光谱和时间分辨 (TR) PL 光谱中提取每个样品的相对光致发光 (PL) 效率和复合寿命（速率），然后进行系统分析。结果表明，释放拉伸应力的样品具有更好的 PL 性能，因为与结构缺陷相关的非辐射复合被抑制，而辐射复合与 InGaN 阱层内的深复合态更相关，这导致辐射复合对温度更稳定.

方法

如图 1 的示意图所示，InGaN/GaN MQW 的外延生长是通过金属有机化学气相沉积进行的，这在之前的工作 [17] 中有所报道：100 nm AlN 层、660 nm 线性渐变 AlGaN 层和 200在 Si (111) 衬底上分别在 1060、1060 和 1020°C 下生长 nm 名义上未掺杂的 GaN 层作为缓冲。对于样品 S1、S3 和 S4，1 μm Si 均匀掺杂的 GaN 层沉积在缓冲液上，估计 Si 原子浓度约为 10 ¹⁸ 厘米 ⁻³ .对于样品 S3 和 S4，在 n 型 Si 均匀掺杂的 GaN 层之后沉积具有 In%~10at% 的 20 nm InGaN 插入层或具有 Al%~20% 的 20 nm AlGaN 插入层。对于样品 S2，在缓冲液上生长 20 个周期的 Si δ 掺杂平面，每个周期后面是 50 nm 标称未掺杂的 GaN，总厚度为 1 μm，而不是 Si 均匀掺杂的 GaN 层。之后，在 S1-S4 的每个样品上，在 800°C 下生长 6 个周期的 InGaN/GaN QW，其中铟成分约为 22.0at%。平均阱/势垒厚度估计为 2.4 nm/10 nm。之后，在 1020°C 下生长 220 nm Mg 掺杂的 p 型 GaN 层。对于 PL 光谱测试，使用具有 10 mW、377 nm 脉冲激光的 Zolix-750 PL 系统作为激发光源，使用分辨率为 0.09 nm 的 ANDOR Newton CCD 作为光电探测器。在 TRPL 测量中，PL 衰减由时间相关的单光子计数系统在 10-300 K 记录。

在 Si 衬底上生长的 MQW LED 样品的结构。 S1、S3 和 S4 包含 1 μm Si 均匀掺杂的 n 型 GaN 层。 S3 包含 20 nm InGaN 插入层。 S4 包含 20 nm AlGaN 插入层。 S2 包含 20 个周期的 Si-δ 掺杂平面，每个周期后面是 50 nm 标称未掺杂的 GaN，总厚度为 1 μm，而不是 Si 均匀掺杂的 n 型 GaN 层

结果与讨论

图 2 显示了每个测试 MQW 样品在 10 K 时的 SSPL 特性概览。如插图所示，Si 结构 S1 上的原始 MQW 在 500-650 nm 附近具有法布里-珀罗振荡的发射峰。所有四个样品的 PL 光谱具有相同的特征。这种现象在 Si 衬底上生长的 GaN 基 LED 中很常见 [28,29,30]，因为缓冲/Si 界面具有大反射率，因此来自 MQW 的显着向下部分的 PL 强度被反射并干扰直接向上的分数。这些振荡峰值可以简单地描述为高斯 PL 信号乘以振荡项 (1 + Acos (4πnd /λ ))（如图 1 中插入的红色曲线所示），其中 A 表示振荡强度，n 是 MQW 薄膜的平均折射率，d 是 MQW 薄膜的总厚度，λ 是 PL 波长。根据上述模型，原始高斯 PL 峰值可以从复杂的振荡峰值中拟合和提取（如图 1 中的蓝色曲线所示）。 SSPL 结果表明，根据 In%~22at% 的 InGaN 晶体的带隙能量，S1 在 531 nm 处有一个尖锐的绿色 PL 峰。作为比较，具有 Si δ 掺杂的 n 型 GaN 层的 S2 在 579 nm 处具有显着的红移 PL 峰，具有 InGaN 插入层的 S3 在 517 nm 处具有略微蓝移的 PL 峰，并且具有 AlGaN 插入层的 S4 具有略微红移的 PL在 545 nm 处达到峰值。考虑到 AlGaN 插入层起到释放张应力的作用，这与 Si δ 掺杂的作用是一样的，而 InGaN 插入层则加剧了张应力，这些结果表明衬底上的张应力会导致 MQW PL 位置的蓝移或扩大 InGaN 阱的平均带隙。 Si δ掺杂GaN层的应变释放效应比引入插入层强得多。

由 377 nm 激光在 10 K 激发的 S1-S4 的 SSPL 概述。原始 PL 信号包含法布里-珀罗振荡，显示为插入物中的黑色曲线（以 S1 为例）。振荡项（红色虚线）和高斯PL峰值（蓝色曲线）通过拟合原始信号进行分割。 S1-S4的所有PL数据都用相同的方法处理，然后，分裂的高斯PL如图所示

为了理解 MQW 中的复合性质，测试其 PL 衰减特性至关重要，因为与辐射/非辐射复合率相关的 PL 寿命可以直接从衰减曲线中提取。在这里，PL 衰减是通过将检测到的波长固定在 S1-S4 的峰值处进行测量的，并且测量是在 10 到 300 K 的不同温度下进行的。图 3 显示了在 10、100 时测试的 S1 的三个典型 PL 衰减曲线, 和 300 K。发现所有 S1-S4 的 PL 衰减趋于随温度变化。这种现象反映了样品中辐射复合率和非辐射复合率的温度依赖性。以下单指数衰减函数用于拟合每条衰减曲线：

377 nm 脉冲激光在 10 K、100 K 和 300 K 激发 S1 的 PL 衰减曲线

其中我 0 表示 t 处的 PL 强度 =0 和 τ 代表 PL 寿命。值得注意的是，并非所有的衰减曲线都可以通过上述单一指数衰减函数完美拟合。这已被多个团体广泛讨论 [31,32,33,34]。一个合理的假设是系统中存在多个重组中心。有时使用多指数衰减函数来拟合曲线。在这里，为了避免引入太多最终难以验证的假设，或者使分析错误地仅反映整个 PL 属性的一小部分，我们使用最简单的模型来提取每个样本的平均 PL 寿命，即可能反映整体 PL 动态特性。获得的 S1-S4 寿命汇总在图 4a 中。将 PL 动态结果与重组概率、重组率 k 联系起来 被定义为 k =1/τ . k 的地方 图 4b 还显示了 S1-S4 与温度的关系。结果清楚地显示了 k 的两种不同的进化 随着温度的升高，在整个温度范围内，释放拉伸应力的样品 S2 和 S4 的复合率小于原始样品 S1 或拉伸应力加重的样品 S3 的复合率，并且随着温度的升高而增加得更严重。注意 k =k r + k nr , 其中 k r 代表辐射复合率和k nr 代表非辐射复合率。预计 k nr 温度升高时增加，并主导 k 在室温下，因为它总是与热量的能量交换过程有关 [35]。所以，k 图 4b 中高温侧的结果表明，应变释放过程（如 Si δ 掺杂和 AlGaN 插入）对抑制 MQW 中的非辐射复合具有积极影响，并减少了对 k 有重大影响的位错缺陷或裂纹 nr .但是k r 在低温条件下变得不可忽略。因此，需要额外的信息和进一步的分析来解释 k 的行为 低温侧。

一 S1-S4 的 PL 寿命与温度的关系。根据图 2 中的 SSPL 结果，检测到的波长保持在每个峰值位置。b S1-S4 的相应重组率，由 k 获得 =1/τ

因此，对于分裂 k r 和 k nr 从每个 k 值，测量了每个样品在不同温度条件下的 SSPL 光谱。然后，每个PL峰的强度与其在先前TRPL测试中检测到的波长相对应被记录为I (T ）。之后，相对PL效率定义为η =我 (T )/我 0，其中 I 0 表示 0 K 时的 PL 强度。获得的 S1-S4 PL 效率汇总在图 5a 中。可以发现，S2 和 S4 的 PL 效率都在 17% 左右，是 S1 的 7 倍。众所周知，只有辐射复合对 PL 强度有贡献；因此，该相对PL效率反映了辐射复合率占总复合率的比率：

一 S1-S4 的相对 PL 效率与温度的关系。根据图 2 中的 SSPL 结果，检测到的波长保持在每个峰值位置。b S1的总复合率、辐射复合率和非辐射复合率与温度的关系

因此，它能够解析 k r =kη 和 k nr =k (1 − η ) 从 TRPL 结果结合 η . k 的相应计算 r 和 k nr S2 的示例如图 5b 所示。结果表明，即使对于具有 Si δ 掺杂改性的 S2，在达到 50 K 的极低温度之前，非辐射复合率仍大于辐射复合率。这解释了 k 的原因 当温度升高时继续升高，因为它在 k 中占主导地位 nr .它还表明对硅结构上的 MQW 进一步提高晶体质量的需求很高。辐射复合率k r 发现随着温度的升高单调下降，这与源自 k 的自由电子-空穴对复合的典型 PL 特性不一致 r 不受温度影响。然而，如果 PL 过程在激子定位中占主导地位，这是合理的。激子倾向于在较高温度范围内离域；因此，温度升高会导致定位率下降[32]。 k nr 和 k r S1-S4 与温度的关系分别总结在图 6a、b 中。如图，k的结果 nr S2 和 S4 在 300 K 时为 2.5×10 ⁻² s ⁻¹ 和 2.8 ×10 ⁻² s ⁻¹ ，分别低于 S1 (3.6 ×10 ⁻² s ⁻¹ ) 和 S4 (4.7 ×10 ⁻² s ⁻¹ ）。这些进一步验证了应变释放过程抑制了 MQW 中位错和裂纹的形成，从而降低了非辐射复合中心的密度。当温度下降时，这种抑制效果变得更加敏感。得到的k r 结果比较复杂。如图所示，k r 温度升高后，S1 和 S3 的下降比 S2 和 S4 的下降严重得多。结果，得到了k r S2 为 300 K (5.7×10 ⁻³ s ⁻¹ ) 和 S4 (5.8 ×10 ⁻³ s ⁻¹ ) 远高于 S1 (9×10 ⁻⁴ s ⁻¹ ) 和 S3 (7 ×10 ⁻⁴ s ⁻¹ ）。将这种现象归因于应变释放过程是合理的：根据上述讨论，这些 MQW 样品中的辐射过程主要与局域态的激子复合有关。在这里，k r 主要由激子定位率k决定 地方k 的急剧下降 loc 随着温度的升高表明系统中局域态的平均深度相对较小，使得激子在高温下容易离域。换言之，应变释放为 S1 和 S3 的样品的局域态平均深度小于没有应变释放的样品。基于先前的工作 [36]，InGaN/GaN MQW 中的局部辐射复合中心通常由 InGaN 阱层中的结构缺陷提供，例如阱厚度变化和富铟簇，其中阱厚度变化提供浅态以及富铟簇提供更深的状态 [33]。这里，k 的结果 r 表明由 Si 衬底和 Si 掺杂的 GaN 导致的 MQW 界面上的强拉伸应力可能会改善辐射浅结构缺陷的形成，因此 S1 和 S3 的局域态深度更小，并且在激子局域化过程中阱厚度变化占主导地位.对于 S2 和 S4，阱厚度变化被抑制，因此激子局域化过程在 InGaN 阱内部的深态中占主导地位，表现出更大的局域态平均深度和更稳定的 k r 与温度。因此，样本 S1 和 S3 表现出更高的 k r 在激子离域效应较弱的低温侧比 S2 和 S4 小，但 k r 在室温下。

一 S1-S4 的非辐射复合率与温度的关系。 b S1-S4的辐射复合率与温度的关系

结论

总之，研究了硅结构上不同 InGaN/GaN MQW 随温度变化的 SSPL 和 TRPL 光谱，有或没有拉伸应力释放处理。发现具有Si δ掺杂GaN层或AlGaN插入层的样品比常规样品（2.5％）或具有InGaN插入层的样品（1.6％）具有更小的复合率和更高的PL效率（高达17％）。进一步的分析表明，较小的复合率主要是由较小的主导非辐射复合率（2.5×10 ^-2 s ⁻¹ 对于 δ 掺杂样品，3.6 ×10 ⁻² s ⁻¹ 与 3.6 ×10 ⁻² 相比，插入 AlGaN 的样品 s ⁻¹ 对于常规样本和 4.7 ×10 ⁻² s ⁻¹ InGaN 插入样品），这归因于抑制了位错或裂纹的形成。除了较小的非辐射复合率之外，更好的 PL 性能还受到室温下更稳定和更高的辐射复合率 (5.7 ×10 ^-3 s ⁻¹ 对于 δ 掺杂样品，5.8 ×10 ⁻³ s ⁻¹ 与 9 ×10 ⁻⁴ 相比，插入 AlGaN 的样品 s ⁻¹ 对于常规样本和 7 ×10 ⁻⁴ s ⁻¹ InGaN 插入样品）。它们还归因于抑制了 MQW 界面上的阱厚度变化，使 InGaN 层内的深辐射定位中心在辐射复合过程中占主导地位。上述结果清晰地展示了InGaN/GaN MQW LED器件在硅衬底上的复合过程，对未来的器件制造具有指导意义。

缩写

IQE：

内量子效率

LD：

激光二极管

LED：

发光二极管

MQW：

多量子阱

PL：

光致发光

SSPL：

稳态光致发光

TRPL：

时间分辨光致发光