Réarrangement atomique assisté par hydrogène dans les puits quantiques multiples GaN : Amélioration de l'uniformité structurale et de l'efficacité optique à 750 °C

Résumé

Nous rapportons trois échantillons de puits quantiques multiples (PQM) à base de GaN cultivés à une basse température de 750 °C. Au lieu de la rampe de température conventionnelle, nous avons introduit un mélange gazeux hydrogène/ammoniac (H₂/NH₃) pendant l'interruption après le dépôt des couches puits InGaN. En variant le flux d'hydrogène, nous avons observé un réarrangement atomique prononcé au sein des PQM. La microscopie électronique en transmission (MET) révèle qu'un flux d'hydrogène optimal produit des interfaces nettes, planes et une distribution d'indium homogène. Par conséquent, l'efficacité de luminescence est markedly améliorée par la suppression de la recombinaison non-radiative. Le réarrangement atomique est attribué à la diffusion accrue des adatomes de gallium et d'indium dans l'environnement H₂/NH₃, abaissant la barrière potentielle pour l'équilibration thermodynamique. Un hydrogène excessif, cependant, endommage partiellement les PQM et dégrade la performance optique.

Introduction

Les puits quantiques multiples InGaN/GaN sont centraux pour les dispositifs optoélectroniques à haute efficacité à travers le spectre visible. La culture de PQM à haute teneur en indium pour LEDs bleues/vertes et diodes laser reste un défi, principalement parce que l'incorporation d'indium est supprimée à températures élevées, tandis que les basses températures entravent la diffusion de surface du gallium, menant à une croissance tridimensionnelle et des couches barrières rugueuses. De plus, le grand désaccord de réseau entre InN et GaN promeut la ségrégation de phase et le gradient compositionnel d'indium, compromettant davantage l'uniformité.

De nombreuses stratégies – croissance de barrières à température plus élevée, rampe de température post-croissance, interruptions de croissance, et dépôt de barrières assisté par hydrogène – ont été explorées pour affiner les interfaces et homogénéiser la distribution d'indium. Pourtant, la plupart des approches reposent encore sur la rampe de température, qui limite l'incorporation d'indium et peut dégrader les PQM à haute teneur en indium. L'incorporation d'hydrogène pendant la croissance d'InGaN est généralement évitée due à son effet néfaste sur la rétention d'indium. Dans cette étude, nous introduisons un mélange H₂/NH₃ contrôlé pendant une brève interruption suivant le dépôt des puits InGaN, sans aucune rampe de température, et investiguons son influence sur la structure et les propriétés optiques des PQM.

Processus Expérimental

Les échantillons A, B et C étaient fabriqués sur saphir plan-c en utilisant un réacteur à douche rapproché Thomas Swan 3×2 in. Le triéthylgallium (TEGa), triméthylindium (TMIn) et ammoniaque (NH₃) servaient de précurseurs Ga, In et N, respectivement. Chaque structure comprend un tampon GaN dopé Si de 2 µm, une région active PQM InGaN/(In)GaN à deux périodes non intentionnellement dopée, et un capuchon GaN dopé Mg de 150 nm. Toutes les couches étaient cultivées à 750 °C. Un fin capuchon GaN était déposé sur chaque puits InGaN pour le protéger pendant l'exposition à l'hydrogène.

L'échantillon A (référence) continuait directement avec la croissance de barrière après le capuchon. L'échantillon B recevait 100 sccm H₂ pendant 100 s, suivi par le dépôt de barrière. L'échantillon C recevait 200 sccm H₂ pour la même durée. Dans tous les cas, le flux NH₃ était maintenu à 3 slm, assurant une atmosphère mixte H₂/NH₃ pendant le traitement à l'hydrogène. Les paramètres de croissance restants étaient identiques pour les trois échantillons.

L'analyse structurale employait un MET JEOL JEM-F200. La diffraction des rayons X à haute résolution (HRXRD) était effectuée sur un Rigaku SmartLab. Les spectres de photoluminescence température-dépendante (TD-PL) étaient enregistrés de 30 à 300 K utilisant un laser He-Cd 325 nm. L'imagerie PL microscopique (µ-PL) utilisait un microscope confocal Nikon A1 excité avec un laser 405 nm.

Résultats et Discussion

Photoluminescence à Température Ambiante

Les spectres PL à température ambiante montrent que l'échantillon B, traité avec 100 sccm H₂, exhibe l'émission la plus forte, tandis que l'intensité de l'échantillon C est intermédiaire, et celle de l'échantillon A la plus faible. Tous les échantillons culminent près de 455 nm, correspondant aux transitions interbandes InGaN/GaN, avec un pic secondaire autour de 365 nm attribué à l'émission near-band-gap du GaN. Ces résultats indiquent qu'un flux d'hydrogène modéré améliore la luminescence, tandis qu'un hydrogène excessif la dégrade.

Analyse MET des Interfaces PQM

Les images MET révèlent que l'échantillon A a des interfaces PQ/CB ondulées et un groupement d'indium significatif aux surfaces des puits. En contraste, les échantillons B et C affichent des interfaces abruptes, planes avec des fluctuations d'épaisseur minimales. La distribution d'indium dans l'échantillon B est uniforme, tandis que l'échantillon C montre des disruptions d'interface, suggérant une gravure partielle au flux d'hydrogène plus élevé. Ces observations confirment qu'un flux H₂ optimal (100 sccm) induit un réarrangement atomique qui lisse les interfaces et homogénéise l'indium.

Mécanisme du Réarrangement Induit par l'Hydrogène

À 750 °C, les adatomes de gallium possèdent une mobilité de surface limitée, favorisant la croissance tridimensionnelle de barrière et des interfaces ondulées. Les atomes d'indium, due au grand gap de miscibilité avec GaN, tendent à s'agglomérer. L'introduction de H₂ en présence de NH₃ augmente la couverture de surface en radicaux NH₂, réduisant l'énergie de liaison des adatomes Ga et In et améliorant ainsi leur diffusion et désorption. Pendant l'exposition à l'hydrogène de 100 s, le gallium et l'indium peuvent migrer sur de plus longues distances, atteignant l'équilibre thermodynamique et aplanissant les interfaces. Les agrégats riches en indium se désorbent préférentiellement, menant à une composition plus uniforme. L'hydrogène excessif (200 sccm) augmente davantage la désorption d'indium et introduit de la gravure, causant les dommages d'interface observés dans l'échantillon C.

Paramètres Structuraux par HRXRD

Les balayages ω-2θ autour de la réflexion (0002) étaient ajustés usando Global Fit. L'échantillon B montre une légère réduction du contenu en indium relatif à l'échantillon A, attribuée à la gravure induite par hydrogène des puits. L'échantillon C exhibe des réductions supplémentaires d'épaisseur de puits et de contenu en indium, tandis que les couches barrières deviennent plus épaisses et plus riches en indium due à la ré-incorporation d'indium désorbé. Ces tendances s'alignent avec les trouvailles MET.

PL Basse Température et Uniformité de Luminescence

À 30 K, tous les échantillons affichent un réplica phonon ~90 meV au-dessus du pic principal, indiquant un couplage phonon GaN. L'énergie de pic de l'échantillon A est plus basse que celles de B et C, reflétant son contenu en indium plus élevé. Les valeurs de largeur à mi-hauteur (LPM) sont 12,3 nm (A), 10,1 nm (B) et 12,6 nm (C). La LPM la plus étroite dans l'échantillon B confirme la supériorité de l'uniformité de distribution d'indium et d'épaisseur de puits.

Décalage PL Dépendant de la Température

Tous les échantillons exhibent un décalage bleu initial suivi d'un décalage rouge quand la température augmente, caractéristique de la dynamique d'états localisés dans les PQM à base de GaN. L'amplitude du décalage bleu est la plus grande pour l'échantillon A et la plus petite pour l'échantillon B, indiquant le paysage de localisation le plus homogène dans l'échantillon B. L'échantillon C montre une température de retournement de décalage rouge distincte (~160 K) comparé à ~200 K pour A et B, probablement due aux dommages d'interface altérant la localisation des porteurs.

Cartographie µ-PL

Les images µ-PL révèlent que l'échantillon A contient de nombreux points non-luminescents, reflétant le groupement d'indium et centres non-radiatifs associés. L'échantillon B montre une réduction significative de tels points, cohérente avec l'homogénéité d'indium améliorée. L'échantillon C réintroduit quelques petites régions non-luminescentes, attribuables aux PQM partiellement endommagés.

Efficacité Quantique Interne

En utilisant le rapport d'intensité PL intégrée I₃₀₀K/I₃₀K comme proxy pour l'EQI, l'échantillon B atteint une EQI de 30,21 %, une augmentation dramatique de 1,61 % (A) et 18,48 % (C). L'amélioration provient des interfaces aplaties, distribution d'indium uniforme et recombinaison non-radiative supprimée. L'hydrogène excessif réduit l'EQI due aux dommages d'interface.

Conclusion

Nous démontrons qu'un bref traitement H₂/NH₃ après dépôt des puits InGaN, à 750 °C sans rampe de température, induit un réarrangement atomique qui produit des interfaces PQM plates, nettes et un profil d'indium homogène. Ce processus produit une augmentation triple de l'intensité de luminescence et une EQI de 30 %. Cependant, le flux d'hydrogène doit être soigneusement contrôlé ; un flux excessif endommage les puits et dégrade la performance.

Disponibilité des Données et Matériaux

Les données soutenant ces trouvailles sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.