Равномерные квантовые точки индия, сформированные двухступенчатым охлаждением на поверхности InGaN: новый подход МОХП

Аннотация

Разработана новая техника металло-органической химической осаждения из паровой фазы (МОХП) для выращивания квантовых точек индия (In QD) непосредственно на поверхности эпитаксиального слоя InGaN. Применяя двухступенчатый протокол охлаждения, In QD формируются с высокой однородностью размера. Детальный анализ показывает, что точки образуются в результате реакции между поверхностным слоем, богатым индием, и водородным газом на стадии низкотемпературного охлаждения. Плотность точек тесно следует характеристикам поверхностного индиевого слоя, предлагая прямой зонд этой иной неуловимой поверхностной области.

Введение

Нитрид индия-галлия (InGaN) стал краеугольным камнем высокоэффективных светодиодов (СД) и лазерных диодов (ЛД) благодаря высокому поглощению, широкой спектральной настраиваемости и радиационной стойкости [1-5]. Однако fabricación высококачественного InGaN остается сложной. Решетковое несоответствие между InN и GaN создает твердофазную зону нерастворимости [6,7], а более высокое паровое давление InN по сравнению с GaN подавляет включение индия [8]. Кроме того, разные энтальпии формирования приводят к выраженной поверхностной сегрегации индия во время роста [9]. При осаждении слоя InGaN неизбежно формируется индий-богатый поверхностный слой из-за эффекта вытягивания, который может загрязнять последующие структуры множественных квантовых ям (MQW) [10]. Преодоление этих препятствий необходимо для повышения производительности оптоэлектроники на базе InGaN. В ходе оптимизации параметров роста для единственного слоя InGaN мы заметили, что двухступенчатый режим охлаждения, в отличие от конвенционального одноступенчатого, стабильно производит равномерные по размеру In QD на поверхности. Это наблюдение побудило к систематическому исследованию базового механизма и его последствий для характеристики поверхностного слоя.

Эксперимент

Образцы выращивали на сапфире c-плоскости в реакторе МОХП AIXTRON 6×2 с близко расположенным душным головкой в атмосфере азота. Триметилгаллий (TMGa), триметилиндий (TMIn) и аммиак (NH₃) служили предкурсорами Ga, In и N соответственно. Единичные слои InGaN (<60 нм толщиной, <15% In) осаждали на 2-мкм недобавленном GaN буфере, который лежал на 25-нм засевочном слое GaN (рис. 1). Водород (H₂) использовался как переносной газ при росте GaN для улучшения кристаллического качества, тогда как азот (N₂) использовался для слоя InGaN для предотвращения коррозии индия [11,12]. Конвенциональное охлаждение предполагает прямое снижение температуры до комнатной в N₂ («одноступенчатое охлаждение»). Наш новый протокол «двухступенчатого охлаждения» сначала снижает температуру до 400 °C в N₂, затем окончательно до комнатной температуры в H₂. Структурная и морфологическая характеризация включала высокоразрешающую рентгеновскую дифракцию (XRD), атомно-силовую микроскопию (AFM), сканирующую электронную микроскопию (SEM) и энергодисперсную спектроскопию (EDS). Схема структуры образца показана на рис. 1.

Результаты и обсуждение

AFM-изображения раскрывают отличную поверхностную морфологию для образцов, охлажденных двухступенчатым протоколом, по сравнению с одноступенчатым методом (рис. 2a,b). Оба демонстрируют характерный поточный 2D рост InGaN и 3D острова, ассоциированные с винтовыми дислокациями, но поверхность с двухступенчатым охлаждением также демонстрирует множество равномерных квантовых точек (средний размер 100×100 нм, ~20 нм высотой, плотность ~1,6×10⁸ см⁻²). Ключевая переменная — использование H₂ на стадии низкотемпературного охлаждения; таким образом, формирование точек связано с взаимодействием водорода с поверхностным индиевым слоем. Для изоляции эффекта газа охлаждения мы применили тот же двухступенчатый протокол к слоям GaN, выращенным в идентичных условиях. AFM не показывает точек на GaN (рис. 3a), подтверждая специфичность явления для InGaN. При снижении содержания In до 1% плотность точек резко падает (рис. 3b), указывая на прямую корреляцию с поверхностной концентрацией индия. XRD-сканирование дополнительно отличает состав точек. Образцы с двухступенчатым охлаждением демонстрируют дополнительный пик при 2θ = 32,8°, отсутствующий в одноступенчатых. Этот пик совпадает с известной дифракцией от индиевых капель [16,17], подтверждая, что точки богаты индием. SEM и EDS-маппинг (рис. 5) подтверждают, что точки обогащены индием, в то время как окружающие Ga и N остаются равномерно распределенными. Интересное наблюдение: отжиг поверхности InGaN при 800 °C в течение 60 с удаляет индий-богатый слой. Последующее двухступенчатое охлаждение не производит точек (рис. 6), устанавливая, что точки исходят из индий-богатого поверхностного слоя, а не из объемной решетки InGaN. Мы предполагаем, что водород действует как коррозирующий агент при низких температурах (<400 °C), превращая поверхностный нитрид индия в металлический индий и аммиак (3H₂ + 2InN → 2In + 2NH₃). В отличие от высокотемпературного роста, где освобожденный индий диффундирует прочь, низкая тепловая энергия предотвращает десорбцию, позволяя атомам индия коалесцировать в капли. Дальнейшие эксперименты с вариацией содержания In (7,65–9,6%) и толщины слоя (~13 нм против 41 нм) показывают, что плотность точек растет с обоими параметрами (рис. 7). Эта тенденция отражает теоретические предсказания, что поверхностная концентрация индия растет с объемным составом и толщиной InGaN [21], подкрепляя гипотезу поверхностного происхождения.

Заключение

Мы продемонстрировали воспроизводимый метод fabricación равномерных по размеру квантовых точек индия на поверхностях InGaN через двухступенчатую схему охлаждения. Точки возникают из реакции между индий-богатым поверхностным слоем и водородным газом при температурах ниже 400 °C. Этот процесс не только предлагает новый путь к наноструктурированию, но и обеспечивает прямой, неразрушающий зонд неуловимого индий-богатого поверхностного слоя, влияющего на последующую производительность приборов.

Метод

Образцы изготавливались в реакторе МОХП AIXTRON 6×2 с близко расположенным душным головкой. Характеризация включала XRD, AFM, SEM и EDS. Исследование проводили ученые из Университета Китайской академии наук.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и/или проанализированные в этом исследовании, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

AFM

Атомно-силовая микроскопия

EDS

Энергодисперсный спектрометр

GaN

Нитрид галлия

In QDs

Квантовые точки индия

InGaN

Нитрид индия-галлия

InN

Нитрид индия

LD

Лазерный диод

LED

Светодиод

MOCVD

Металло-органическое химическое осаждение из паровой фазы

MQW

Множественные квантовые ямы

NH₃

Аммиак

QDs

Квантовые точки

SEM

Сканирующая электронная микроскопия

TMGa

Триметилгаллий

TMIn

Триметилиндий

XRD

Рентгеновская дифракция