Инженерия растяжения повышает фотолюминесценцию InGaN/GaN квантовых ям на кремнии

Аннотация

В данном исследовании исследуется фотолюминесцентная эффективность InGaN/GaN многоквантовых ям (MQW) светодиодов, выросших на кремниевых подложках. Устройства включают различные архитектуры управления растяжением — периодическое δ-легирование кремнием в n-слое GaN или вставку промежуточных слоев InGaN/AlGaN — для зондирования механизмов рекомбинации, медиализируемых деформацией. Измерения PL показывают, что образцы с релаксированным растяжением демонстрируют значительно более высокие внешние квантовые эффективности, достигая 17 % — семикратного увеличения по сравнению с базовой конфигурацией. Детальный анализ раскрывает сниженные скорости нерадиативной рекомбинации, составляющие (2,5–2,8)×10⁻² с⁻¹ по сравнению с (3,6–4,7)×10⁻² с⁻¹ для обычного образца. Скорости радиативной рекомбинации также повышены, измеренные в (5,7–5,8)×10⁻³ с⁻¹ против (9–7)×10⁻⁴ с⁻¹ при комнатной температуре. Эти улучшения атрибутируются подавлению мелких локализованных состояний на интерфейсах MQW, позволяя глубоким радиативным центрам в слоях InGaN доминировать в процессе рекомбинации.

Введение

InGaN/GaN MQW структуры на кремнии, в отличие от традиционного сапфира, привлекают растущее внимание за их потенциал обеспечить низкозатратное твердотельное освещение, дисплеи и кремниевую фотонику [1–5]. Главная проблема заключается в 56 % несоответствии коэффициентов термического расширения GaN и Si, которое индуцирует значительное растяжение и трещины в пленке GaN [6–9]. Для светодиодов и лазерных диодов необходим Si-легированный n-слой GaN, добавляющий еще больше растяжения. Недавние усилия по смягчению этих проблем включают использование промежуточных слоев с подходящим сжатием [10–16], δ-легирование для релаксации деформации [17,18] и буферные слои с согласованной решеткой [19,20]. Периодическое Si δ-легирование в n-слое GaN показано, что дает более гладкие слои GaN, более высокое кристаллическое качество и сниженную плотность трещин по сравнению с однородно легированным GaN, в основном за счет смягчения растяжения [17]. Хотя несколько исследований изучали поверхностную морфологию, плотность дислокаций и электрические свойства δ-легированного GaN на сапфире или кремнии [21–23], мало работ напрямую коррелировали люминесцентную эффективность с релаксацией деформации в InGaN/GaN MQW — существенную связь для оптимизации устройств. Косвенные измерения деформации, такие как приложение механического давления для модуляции пьезоэлектрических полей, остаются стандартным подходом к оценке внутренней деформации, поскольку прямое измерение без повреждения образца сложно [24–27]. Во всех случаях фотолюминесцентные спектры незаменимы для оценки деформации-зависимой производительности устройств.

В этой работе мы осаждаем структуры InGaN/GaN MQW светодиодов на монокристаллических кремниевых подложках. Мы сравниваем однородно Si-легированные n-слои GaN с периодически Si δ-легированными слоями. Дополнительно вводим тонкие промежуточные слои AlGaN (сжатие) или InGaN (растяжение) поверх однородно легированного n-слоя GaN для дальнейшего зондирования влияния сжатия против растяжения на производительность устройств. Температурно-зависимые стационарные (SS) PL и время-разрешенные (TR) PL спектры предоставляют относительные PL-эффективности и времена жизни рекомбинации для каждого образца, позволяя систематический анализ деформации-контролируемых механизмов рекомбинации.

Методы

Как показано на Рисунке 1, эпитаксиальный рост InGaN/GaN MQW выполнялся методом металлоорганической химической фазовой осадки (MOCVD) по протоколу из Ref. [17]. Последовательность роста на Si (111) подложке включала 100 нм нуклеационного слоя AlN, 660 нм линейно градационного буфера AlGaN и 200 нм номинально нелегированного буфера GaN, выросших при 1060 °C, 1060 °C и 1020 °C соответственно. Для образцов S1, S3 и S4 на буфер осаждали 1 мкм однородно Si-легированный n-слой GaN (≈10¹⁸ см⁻³). В образцах S3 и S4 после n-слоя вставляли 20 нм промежуточный слой InGaN (≈10 at.% In) или 20 нм AlGaN (≈20 at.% Al). Образец S2 использовал 20 периодов Si δ-легирования, разделенных 50 нм номинально нелегированным GaN, достигая общей толщины 1 мкм. Последовательно растили шесть периодов InGaN/GaN КЯ при 800 °C, с индиевым составом ~22 at.% и средней толщиной ямы/барьера 2,4 нм/10 нм. Финально растили 220 нм Mg-легированный p-слой GaN при 1020 °C.

SSPL измерения использовали систему Zolix-750 с 10 мВт пульсирующим лазером 377 нм и ANDOR Newton CCD (разрешение 0,09 нм). TRPL распады записывали системой подсчета одиночных фотонов с временной корреляцией в диапазоне 10–300 К.

Результаты и обсуждение

Рисунок 2 демонстрирует SSPL спектры всех четырех MQW образцов при 10 К. Спектры показывают Фабри-Перо осцилляции — типичные для GaN светодиодов на Si из-за высокой отражательности на интерфейсе буфер/Si [28–30]. После деконволюции (гауссовский PL пик, умноженный на 1 + A cos(4πnd/λ)), извлекаются внутренние PL пики. Образец S1 показывает острый зеленый пик при 531 нм, согласующийся с запрещенной зоной ~22 at.% InGaN. Si δ-легированный образец S2 красно-смещен до 579 нм, в то время как образец S3 с InGaN-промежуточным слоем слегка сине-смещен до 517 нм, а образец S4 с AlGaN-промежуточным слоем красно-смещен до 545 нм. Эти сдвиги подтверждают, что растяжение на интерфейсах MQW сине-смещает излучение, в то время как механизмы релаксации деформации (δ-легирование, вставка AlGaN) красно-смещают его. Эффект релаксации деформации Si δ-легирования заметно сильнее, чем одиночного промежуточного слоя.

Для зондирования динамики рекомбинации TRPL распады записывали на пиковых длинах волн каждого образца в диапазоне 10–300 К. Рисунок 3 представляет кривые распада для S1 при представительных температурах. Хотя модель с единичным экспонентом (I(t)=I₀e^−t/τ) является упрощением — множественные рекомбинационные центры часто требуют многоэкспоненциальных аппроксимаций — она дает среднее время жизни τ, улавливающее общую PL динамику. Полученные времена жизни для S1–S4 показаны на Рисунке 4а, а соответствующие скорости рекомбинации k=1/τ — на Рисунке 4б. Образцы с релаксированным растяжением S2 и S4 демонстрируют более низкие k значения по всем температурам, указывая на сниженную общую рекомбинацию. Более того, температурная зависимость k круче для этих образцов, отражая доминирующую роль нерадиативной рекомбинации при повышенных температурах. Комбинируя k с относительной PL эффективностью η (определенной как отношение PL интенсивности при температуре T к той при 0 К), извлекают радиативные (k_r=kη) и нерадиативные (k_nr=k(1−η)) компоненты, как проиллюстрировано для S2 на Рисунке 5б.

Рисунок 5а показывает температурную зависимость относительных PL эффективностей. S2 и S4 достигают эффективностей до 17 %, далеко превосходя 2,5 % обычного S1 и 1,6 % InGaN-промежуточного S3. Поскольку PL интенсивность отражает только радиативную рекомбинацию, η напрямую измеряет долю k_r/k. Извлеченные k_r и k_nr для всех образцов суммированы на Рисунках 6а и 6б. При 300 К нерадиативные скорости для S2 и S4 составляют (2,5–2,8)×10⁻² с⁻¹, заметно ниже, чем для S1 (3,6×10⁻² с⁻¹) и S3 (4,7×10⁻² с⁻¹). Это подтверждает, что релаксация деформации подавляет дефектно-медиализированные нерадиативные пути. Наоборот, радиативные скорости для S2 и S4 остаются высокими и температурно-стабильными (≈5,7–5,8×10⁻³ с⁻¹ при 300 К) по сравнению с S1 (9×10⁻⁴ с⁻¹) и S3 (7×10⁻⁴ с⁻¹). Стабильность k_r указывает на то, что глубокие радиативные центры внутри InGaN ям доминируют в рекомбинации, в то время как мелкие интерфейсные состояния — способствуемые растяжением — подавлены в структурах с релаксированной деформацией.

Заключение

Температурно-зависимые SSPL и TRPL исследования InGaN/GaN MQW на кремнии раскрывают, что включение Si δ-легирования или AlGaN промежуточных слоев значительно снижает общие скорости рекомбинации и повышает PL эффективность до 17 %, по сравнению с 2,5 % для обычной структуры и 1,6 % для варианта с InGaN-промежуточным слоем. Улучшение в основном происходит за счет более низких нерадиативных скоростей — атрибутируемых меньшему числу дислокаций и трещин — и более стабильных, более высоких радиативных скоростей, отражающих доминирование глубоких радиативных центров в InGaN ямах при смягчении растяжения. Эти выводы предоставляют четкий путь для оптимизации MQW светодиодов на кремнии путем инженерии деформации через δ-легирование или составные промежуточные слои.

Аббревиатуры

IQE

Внутренняя квантовая эффективность

LD

Лазерный диод

LED

Светодиод

MQW

Многоквантовая яма

PL

Фотолюминесценция

SSPL

Стационарная фотолюминесценция

TRPL

Время-разрешенная фотолюминесценция