SPARC系統在基於GaN的塊體和納米結構LED研究中的應用

原作：Delmic B.V. 翻譯整理：Dervee Suzhou

氮化鉀GaN是一種常見的半導體寬禁帶材料， 也是III/V(三五族元素) 化合物半導體材料。它非常堅硬，有著非凡的光學和電學特性。因此GaN有著廣泛的應用，包括LED照明和顯示，激光二極體，高性能的電子元件（高壓器件、高溫或高頻器件）等。

對於LED產品，GaN通常與很多InxGa1-xN量子N阱行成異質結。這種結構可以調控發光波長，使本徵發光（帶隙3.4EV，365nm）轉變為從紫外到可見光之間想要的波長。

樣品來自Christian Tessarek, Martin Heilmann, Silke Christiansen (Max Planck Institute for the Science of Light, Erlangen)。

Figure 1(a) 展示器件的剖面圖。 它包含上層p型摻雜的GaN，一層AlGaN的阻擋層，10層InGaN量子阱，和一層n型摻雜的GaN以及藍寶石襯底。器件採用MOCVD方法（金屬氧化物化學氣相沉積），這種方法在高質量III/V材料製備中是常見的標準工藝[1,2]。

陰極發光成像

陰極發光成像（CL）和光譜學在GaN材料和器件研究中有著廣泛的應用。高能電子束能有效激發寬禁帶GaN材料（能帶3.4eV），並可以得到亞波長的高空間解析度，可以在很小的尺度成像表徵材料里的位錯以及發光特性。

另外，通過調節電子束加速電壓可以得到不同能量的電子來探測樣品不同深度以獲得更多信息。對於多層器件尤其有用，如Fig. 1(a)所示。電子與材料相互作用的量可以通過蒙特卡洛模擬[3]獲得。Figure 1(b) 展示了不同電子能量下的光譜測量。探測電子束駐留時間(t), 加速電壓(HV) 和束流(I) 如圖標示。低電壓(6 – 15 keV) 下，有藍色量子阱激發的發光波段為448nm（2.77eV）。

高能電子束（15-30KeV）足夠穿透量子阱層到達n型摻雜的GaN層，出現額外的其他兩個譜峰：一個對應GaN 3.38eV（367nm）UV波， 另外一個譜峰對應GaN材料你缺陷導致的黃光段579nm（2.14eV）。

使用CL光譜儀， 可以量化地高分辨解析峰值中心位，振幅和半峰寬（FWHW）。這些光譜信息攜帶豐富信息，可以用於材料製備工藝優化，失效/缺陷分析，材料光學性能一致性研究等。

除了光譜的強大表徵能力，SPARC系統的特有的角度解析功能還可以表徵發光角度，對於發光元器件尤其重要。Figures 1(c,d)顯示這個材料的發光表現出Lambertian發光模式，表明載流子在量子阱中的複合方向[1]。在這樣的案例中，陰極發光的極化解析也非常有用。(參見SPARC系統的technical notes on angle-resolved and polarization-resolved CL)。

微縮化LED器件（納米級）

上面的案例是對於體LED材料器件，科研界對於微縮化的LED器件的研究更感興趣。 微觀的LED器件的研究有眾多好處：

納米級光源對於感測、數據傳輸和處理的機理，對於納米光子器件和晶元有重要意義。

納米結構的LED相對體LED，具有更強的光耦合效應，可以進一步提升發光效率。

諧振效應和光導可以用於控制發光光譜，發光角度以及發光極性，從而開發更靈活和優化的元器件。

由於非常小的特徵尺寸， 這樣的器件難以採用傳統的光學技術來研究。 電學研究也是非常的困難， 因為尺寸過小，電學可靠接觸變得複雜和耗時，尤其是對於單個微觀發光結構。CL光譜儀使用非接觸式探測微觀結構的特徵就容易得多。Figure 2(a) 顯示棒狀LED結構的SEM圖片，包含GaN核和3個放射狀InGaN量子阱異質結。器件是在藍寶石襯底上採用MOCVD外延工藝製備[4,5]。

採用CL高譜像模式， 我們可以得到電子束激發樣品的上表面發光映射(Fig. 2(b))。每個像素包含CL光譜信息，如圖Fig. 2(c)。我們可以觀察到光譜的巨大波動和變化， 這些變化與納米棒的生長情況和內部結構強烈相關。 在位置3和5處，可以看到發光波長分別為395 nm (3.13eV)和460 nm (2.7 eV) 。從（c）內嵌的圖裡，可以看到發光的位置位於棒的頂端。從Fig. 2 (a)的光強映射圖裡也可以看到。

我們這裡展示的卧倒的碎裂的發光棒頂視CL像。要想獲得更加全面的鳥瞰圖，可以將樣品裝載在可以傾轉的樣品台進行多角度觀察。 這樣的CL觀察方法，同樣可以拓展到其他III/V族化合物樣品如InP和GaAs，這些材料與光伏應用、集成光子學和紅外光源等相關[6, 7]。

Reference

[1] S. Meuret et al. Phys. Rev. B 98, 035308 (2017).

[2] M. Latzel et al. Nanotechnology 28, 055201 (2017).

[3] H. Demers et al. Scanning 33, 135-146, (2011).

[4] C. Tessarek et al. J. Appl. Phys 114, 144304 (2013).

[5] C. Tessarek et al. submitted (2017).

[6] B. J. M. Brenny et al. Appl. Phys. Lett. 107 201110 (2015). [7] B. J. M. Brenny et al. ACS Photon. 3, 677 (2016).

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