時(shí)間分辨陰極熒光光譜助力InGaN材料的“Green Gap”問題分析

引言

    In_xGa_1-xN（以下簡稱為InGaN）材料具有0.7 eV~3.5 eV可調(diào)的直接帶隙能量，被廣泛應(yīng)用于光電子器件領(lǐng)域。其中，利用InGaN制備的藍(lán)光或綠光發(fā)光二極管（light emitting diodes，LED）是一項(xiàng)具有廣闊前景的應(yīng)用。然而，該領(lǐng)域的發(fā)展也不是一帆風(fēng)順，諸多挑戰(zhàn)頻頻出現(xiàn)限制了這項(xiàng)技術(shù)的快速崛起。其中之一便是“Green Gap”問題，即室溫下器件在綠光波段的發(fā)光效率遠(yuǎn)低于藍(lán)光波段的發(fā)光效率。據(jù)已有報(bào)道顯示，藍(lán)光LED的外量子效率峰值可以達(dá)到86%，而綠光僅為44%。造成近2倍外量子效率峰值差的原因是目前科學(xué)家爭論的熱點(diǎn)。有科學(xué)家表明，綠光發(fā)射大都需要在低溫生長工藝下制備得到高銦含量材料，這些材料通常會形成許多缺陷，例如位錯(cuò)（螺旋位錯(cuò)、失配）、溝槽缺陷及點(diǎn)缺陷等。缺陷可能會成為非輻射復(fù)合中心，或輔助載流子從空間電荷區(qū)隧穿到InGaN有源區(qū)，并伴隨有非輻射復(fù)合，進(jìn)而造成發(fā)光效率低下。因此，為了推進(jìn)綠光發(fā)光二極管的發(fā)展，需要深入研究缺陷類型對“green gap”的影響，從原子層面揭示相關(guān)機(jī)制。

成果簡介

    針對上述問題，F(xiàn). C. Massabuau等人利用陰極熒光光譜（cathodoluminescence，CL）、時(shí)間分辨陰極熒光光譜（time-resolved cathodoluminescence，TR-CL）及分子動(dòng)力學(xué)模擬手段，研究了銦含量在5%~15%的厚InGaN層中的螺旋位錯(cuò)的光學(xué)與結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并對“Green Gap”與InGaN的缺陷之間的關(guān)系進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在上述考量成分范圍內(nèi)的樣品中，銦原子在位錯(cuò)附近（距位錯(cuò)核納米范圍內(nèi)）分離。這一現(xiàn)象有助于形成In-N-In鏈或原子凝聚物，從而可以在位錯(cuò)處局域載流子并且能夠抑制非輻射復(fù)合。該團(tuán)隊(duì)還注意到隨著銦含量的增加，位錯(cuò)周圍的暗暈成為一重要特征，激起了團(tuán)隊(duì)的好奇，并對這一特征的物性進(jìn)行了深入分析。對于低銦組分樣品（x<12%），團(tuán)隊(duì)將暗暈歸因于V型凹坑平面以下較低組分材料的生長；對于高組分樣品（x>12%），暗暈的起源尚未確定，可能是由于V型坑的面上位錯(cuò)束的形成，或是表面電位的變化，亦或是載流子擴(kuò)散長度的增加。F. C. Massabuau等人相信，上述研究內(nèi)容對闡明位錯(cuò)在發(fā)光二級管中的“Green Gap”問題有*的推進(jìn)作用。相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在Journal of Applied Physics上，有關(guān)原文更多精彩的內(nèi)容，可參考 Journal of Applied Physics,125,165701,2019。

    在F. C. Massabuau等人的工作中，選用了瑞士Attolight公司生產(chǎn)的Allalin 4207 SEM-CL系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間分辨陰極熒光光譜的測試。該儀器*的光譜分辨率和空間分辨率是揭示InGaN表面缺陷與其發(fā)光效率之間關(guān)系的關(guān)鍵。更為重要的是，該儀器皮秒級的時(shí)間分辨精度為實(shí)驗(yàn)揭示InGaN表面缺陷區(qū)域載流子的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了強(qiáng)有力地幫助，推進(jìn)了InGaN制備綠光發(fā)光二極管的研究。

    做為世界上時(shí)間分辨SEM-CL的制造商，Attolight公司的Allalin 4207 SEM-CL系統(tǒng)主要包含三個(gè)模塊：激發(fā)模塊、Attolight SEM-CL模塊、探測模塊。激發(fā)模塊的核心是利用定制的三倍頻摻鉺光纖激光器產(chǎn)生紫外波段脈沖（波長355 nm，5 ps，重復(fù)頻率80 MHz）。將生成的紫外波段脈沖耦合到SEM-CL系統(tǒng)當(dāng)中，并以紫外光輻照場發(fā)射電子槍，從而獲得皮秒級的電子脈沖。Attolight SEM-CL系統(tǒng)將消色差反射透鏡（na=0.71）集成到掃描電鏡的物鏡中，從而使它們的焦平面對準(zhǔn)，并有效減少了其他繁冗的對準(zhǔn)操作。為了能夠在低溫下進(jìn)行穩(wěn)定而的測試，系統(tǒng)特別集成有冷臺，工作溫度20K到300K 。其探測系統(tǒng)有兩種模式，CL信號經(jīng)切爾尼特納型單色儀（Horiba Scientific，iHR 320）衍射后，由Andor Newton 920 CCD相機(jī)收集信息。而對于時(shí)間分辨測試，則以O(shè)ptronis SC-10型條紋相機(jī)在光子計(jì)數(shù)模式下進(jìn)行。該儀器工作模式多種多樣，包括光學(xué)顯微鏡成像、陰極熒光測量(多色，單色和高光譜)、二次電子測量、時(shí)間分辨陰極熒光(時(shí)間分辨選項(xiàng))和 二次電子和陰極熒光同步等測量。同時(shí)，可提供300 μm直徑的光學(xué)和電子視場，優(yōu)于10 nm的空間分辨率和10 ps的時(shí)間分辨率， 以及多6自由度位移控制?；谏鲜鰞?yōu)勢，Allalin 4207 SEM-CL系統(tǒng)在LED性能和可靠性評價(jià)，GaN功率晶體管，線位錯(cuò)密度，載流子壽命和動(dòng)力學(xué)，太陽能電池的效率，納米尺度光電器件等領(lǐng)域大放異彩。是進(jìn)行各種半導(dǎo)體和光電材料諸如載流子壽命和動(dòng)力學(xué)研究等的工具。

圖文導(dǎo)讀

圖1 InGaN樣品的（a）AFM圖像；（b）連續(xù)波模式CL（含強(qiáng)度信息）圖像；（c）連續(xù)波模式CL（含峰值波長信息）圖像；（d）脈沖模式CL（含強(qiáng)度信息）圖像；（e）脈沖模式CL（含峰值波長信息）圖像；（f）條紋相機(jī)采集的圖像信息；（g）由圖（f）中抽取的弛豫曲線

圖2 波長與（a）弛豫時(shí)間及（b）上升時(shí)間的依賴關(guān)系

圖3 室溫下樣品缺陷的亮點(diǎn)周圍區(qū)域（a）與亮點(diǎn)區(qū)域（b）的弛豫時(shí)間與波長關(guān)系曲線