본 논문에서는 GaN 청색 LED에피웨이퍼 성장의 최적화에 관한 연구를 했다. LED는 사파이어 기판위에 n 형 GaN, InGaN/GaN 양자우물 활성층, p-형 GaN 의 순서로 성장을 하는데 각 층의 성장과 특성 분석을 통해 최적 성장 조건을 찾았다. 이러한 최적 조건을 이용하여 LED 에피 웨이퍼를 제작했고, ...
본 논문에서는 GaN 청색 LED에피웨이퍼 성장의 최적화에 관한 연구를 했다. LED는 사파이어 기판위에 n 형 GaN, InGaN/GaN 양자우물 활성층, p-형 GaN 의 순서로 성장을 하는데 각 층의 성장과 특성 분석을 통해 최적 성장 조건을 찾았다. 이러한 최적 조건을 이용하여 LED 에피 웨이퍼를 제작했고, fab 공정을 통한 웨이퍼의 특성분석을 했다. 7.1 n-형 GaN (1) III-V 질화물 반도체의 비약적인 발전을 가져온 계기가 된 것 중 가장 첫번째 것은 핵형성층을 사용한 것에 있다. 즉 양질의 GaN 박막을 얻기 위해서는 핵형성층의 최적화가 가장 필수적이다. 본 연구에서는 양질의 박막을 얻기 위해 핵형성층의 f_TMG 를 변화시키면서 그 위에 GaN 박막을 성장했다. 여러가지 측정과 분석을 통해, 양질의 GaN 박막은 핵형성층 f_TMG 가 70 ~ 80 μmol/min 일 때 두께 250 nm, 성장온도 560℃ 에서 얻을 수 있었다. (2) 도핑하지 않은 GaN 에서 관찰 한 특이한 전기 특성 결과 (온도의 함수로 측정한 홀이동도의 변화가 고온에서 평행) 는 사파이어와 GaN 박막 사이의 계면전도층의 존재 때문이다. 즉, 보통은 고온영역에서는 격자산란이 주요한 산란기구이므로 한점에서 수렴을 하지만 도핑하지 않는 GaN 박막에서는 수렴하지 않고 평행한 특성을 보인다. (3) 홀측정 결과는 두께에 의존을 하는데, 상대적으로 두꺼운 시료 (5μm)에서는 계면전도층의 전도가 전체 전도에 기여하는 부분이 줄어 들기 때문에 홀이동도가 얇은 박막 (~2 μm) 보다 크다. 낮은 홀 이동도는 어긋나기에 의한 산란때문이 아니라, 계면전도층과 박막 사이의 혼합 전도 때문이다. 한편 어긋나기에 의한 전자 포획도 어느 정도 낮은 홀 이동도나 특이한 전기 특성 결과를 설명할 수 있다. (4) GaN:Si 박막의 전기특성은 두께 의존성이 없고, 어긋나기에 의한 전자 포획도 없다. 따라서 상대적으로 두꺼운 도핑하지 않은 GaN 박막과 같은 분석방법으로 GaN:Si 박막의 전기특성을 분석할 수 있다. 즉, 고온영역에서는 1-띠 모형으로 분석할 수 있고 저온에서 불순물띠의 전도가 있는 부분은 2-띠 모형으로 분석을 할 수 있다. 계면전도층의 전도만이 존재하는 반절연 GaN 박막의 측정과 분석을 통해 계면전도층의 직접적인 증거를 보였다. (5) SiH₄ 를 변화시키면서 성장한 GaN:Si 박막은 홀 농도 1 ~ 5 x 10^18 cm^-3 와 홀 이동도 200 ~ 300 ㎠/Vs 값을 갖고 LED 에 응용할 수 있는 적합한 양질의 박막이다. 7.2 p-형 GaN (1) 양질의 GaN:Mg 박막을 얻기 위해 f_Cp2Mg 를 변화시키면서 성장을 했다. 여러가지 실험과 특성 분석을 통해 f_Cp2Mg 가 0.6 ~ 0.8 μmol/min 일 때 가장 좋은 박막을 얻을 수 있었다. 또한 f_Cp2Mg 의 양과 관계 없이 열처리 온도가 950 ℃ 일 때 가장 높은 운반자 농도를 얻을 수 있었고, 이 열처리 온도에서 2.7 eV 청색 밴드의 PL 세기가 가장 작은 것으로 관찰이 되었다. 따라서 LED 의 p 층 성장 후 열처리 온도는 950℃가 가장 최적조건이라는 결론을 내릴 수 있다. (2) 전기 특성 분석을 통해 활성화에너지와 주개 농도와의 관계는 0 K에서 E_A = 372 - l.16 × 10^18 N_A meV를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용한 시료들의 활성화 에너지는 0 K 에서는 330 ± 30 meV, 상온에서는 200 ± 40 meV 값을 갖는다. 이 값은 free to bound 결합 (Mg^0, e)인 3.1 eV PL 밴드를 설명할 수 있다. 주개에 의한 받개의 보상효과는 매우 작기 때문에 낮은 이동도와 높은 열처리 온도에서 Mg 의 활성화 감소의 주요원인은 아닌 것으로 판단된다. 보상 주개 농도는 낮고, f_Cp2Mg의 양이나 열처리 온도에 따라 크게 변하지 않는 것은 2.7 eV 밴드를 설명하기에 DAP 모형은 적합하지 않다는 것을 말해 준다. (3) GaN:Mg 전기특성은 2-띠 모형으로 분석을 했고, 가벼운 띠의 전도는 GaN:Mg 의 운반자의 이동을 설명하기 위해서는 고려되어야 한다. 주요 산란기구는 공간전하에 의한 산란과 격자진동에 의한 산란이고, 이온화된 불순물에 의한 산란의 기여도는 적은 것으로 밝혀졌다. 7.3 InGaN/GaN 양자우물 활성층 (1) 양자우물 성장시 f_TMI 와 성장 중단 시간 변화를 통해, 주요 발광기구가 유사양자점에 운반자 국소화 효과라는 것을 여러 실험과 분석을 통해서 밝혔다. 또한 V-결함은 어긋나기 뿐만 아니라 IDB 에 의해 발생 하는 것을 확인했다. (2) LED 구조에서 활성층으로 이용하는 InGaN/GaN 양자우물구조를 여러 성장 변수를 바꾸면서 최적 조건을 찾았다. 양자우물구조의 최적화를 위해서 양자우물수와 장벽의 두께를 변화시키면서 연속적으로 몇 개 그룹으로 성장을 했다. (3) 양자우물내의 In 조성비가 30% 일 때 PL 세기가 최대인 양자우물 수는 5 ~ 6 개 일 때 이고, 장벽의 두께는 두꺼울수록 PL 세기가 증가한다. 우물의 두께가 13~15Å 일 때, 장벽의 두께가 65Å 이하 일 때는 다중양자 우물에서 단일양자우물보다 오히려 PL 세기가 작다. HRXRD, TEM 및 PL 측정을 통하여 양자우물수가 많아지더라도 우물이나 장벽의 성장률은 변함없다는 것을 확인했다. 이러한 양자우물성장 조건들은 LED 응용에 적합한 성장 조건들이다. 7.4 GaN 청색 LED (1) GaN 박막과 InGaN/GaN 양자우물 구조의 최적화 조건을 이용해 청색 LED 를 성장했다. EL peak은 주입전류를 증가시켜도 450 nm 로 일정한 값 을 갖는다. 이것은 TEM 사진과 앞장에서 논의한 InGaN/GaN 양자우물내에 유사양자점이 지배적인 발광기구라는 것을 보였는데, 주입전류에 따른 EL이 청색변이를 하지 않는 것과 일치한다. (2) I-V 측정을 통해 20 mA 에서 동작 전압은 3.34 V, L-I 측정을 통해 출력 파워는 20 mA 에서 1 mW, 외부양자효율은 l.5% 의 값을 갖는 좋은 특성을 갖는 청색 LED를 성장 했다. 7.5 앞으로 연구 과제 (1) 도핑하지 않는 GaN (undoped-GaN) 성장시 사파이어와 GaN 박막 사이의 계면전도층의 형성은 박막 특성을 연구하거나 소자 응용시 누설전류의 통로로서 작용을 한다. 이런 계면전도층의 효과를 최소화하는 기술의 개발이나 계면전도층이 생성되지 않는 최적 성장 조건을 찾을 필요가 있고, 또한 핵형성층에 관한 부분은 특허를 피할 수 있는 기술개발 역시 LED 상업화를 위해서 필요한 부분이다. (2) 양질의 n형 GaN 를 얻기 위해서 In을 도핑 하는 기술에 대한 연구가 필요하다. 핵형성층 뿐만 아니라 박막에 In을 도핑함으로 박막의 특성이 향상이 되고 또한 어긋나기 농도도 감소하는 경향을 보이고 있는데 이 부분에 대해 더 많은 연구가 필요하다. (3) Mg 도핑한 GaN 의 PL peak 들의 근원에 대한 연구가 더 필요하다. (4) Mg 도핑한 GaN 박막과 LED cap층의 Mg 도핑한 GaN 박막 사이에는 많은 특성의 차이가 있을 것으로 예상이 되는데, 이 부분에 대한 연구가 더 필요하다. LED 의 cap 층의 두께나 Mg 의 양, 성장온도 및 압력 등에 대한 고찰이 필요하다. P-층의 오믹 접촉과 LED 전기 특성 및 광특성에 영향을 주기 때문에 성장과 Fab 공정 후 LED 테스트를 반복해서 최적 조건을 잡아야 한다. (5) 양자우물의 발광 기구는 아직도 많은 논란이 있는데, 문헌을 종합하면 In 함량이 30 % 이상에서는 유사양자점 (Quantum-dot like)이, 20% 미만에서는 QCSE가 주요 발광 기구로 여겨진다. 그렇지만 그 사이의 In 함유량을 가진 양자우물은 두 특성이 동시에 나타나는 것으로 생각하고 이에 대한 연구가 더 필요하다. 특히 PL의 발광 특성의 경우 In 함유량이 10 ~ 20 %일 가장 좋은 것으로 나타나는데 이때는 유사양자점 형성이 적어진다. 그렇지만 본 연구에서 밝힌 것처럼 유사양자점의 수가 감소하면 PL 세기는 감소를 한다. 두가지 상반된 부분이 InGaN/GaN 양자우물에 존재를 하고 있다. LED 특성을 정확하게 이해하기 위해서는 이부분들에 대해 연구가 필요하다 (이 유사양자점이 많은 양자우물에서 PL 특성이 좋기 때문에 유사양자점의 수를 증가시키는 성장기술의 개발이 필요하다. 또한 많은 부분들이 특허로 묶여 있기 때문에 특허에서 제시하지 않은 새로운 구조에 대한 연구가 필요 하다. (7) PL 특성과 LED 제작후 EL 특성이 비례를 하기 위해서 많은 연구가 필요하다. 특히 n-층과 p-층의 최적화가 필요하다. 이부분 역시 많은 부분들이 특허와 관련이 있기 때문에 새로운 구조를 성장하는 기술 개발이 필요하다. (8) Fab 공정의 최적화가 이뤄져야만 LED 에피 웨이퍼의 특성을 정확히 분석할 수 있는데 그런 기술이 개발되어야 하고, 그런 기술을 통해 LED 를 만든후 계속해서 feed-back 과정을 거쳐야 한다.
본 논문에서는 GaN 청색 LED 에피 웨이퍼 성장의 최적화에 관한 연구를 했다. LED는 사파이어 기판위에 n 형 GaN, InGaN/GaN 양자우물 활성층, p-형 GaN 의 순서로 성장을 하는데 각 층의 성장과 특성 분석을 통해 최적 성장 조건을 찾았다. 이러한 최적 조건을 이용하여 LED 에피 웨이퍼를 제작했고, fab 공정을 통한 웨이퍼의 특성분석을 했다. 7.1 n-형 GaN (1) III-V 질화물 반도체의 비약적인 발전을 가져온 계기가 된 것 중 가장 첫번째 것은 핵형성층을 사용한 것에 있다. 즉 양질의 GaN 박막을 얻기 위해서는 핵형성층의 최적화가 가장 필수적이다. 본 연구에서는 양질의 박막을 얻기 위해 핵형성층의 f_TMG 를 변화시키면서 그 위에 GaN 박막을 성장했다. 여러가지 측정과 분석을 통해, 양질의 GaN 박막은 핵형성층 f_TMG 가 70 ~ 80 μmol/min 일 때 두께 250 nm, 성장온도 560℃ 에서 얻을 수 있었다. (2) 도핑하지 않은 GaN 에서 관찰 한 특이한 전기 특성 결과 (온도의 함수로 측정한 홀이동도의 변화가 고온에서 평행) 는 사파이어와 GaN 박막 사이의 계면전도층의 존재 때문이다. 즉, 보통은 고온영역에서는 격자산란이 주요한 산란기구이므로 한점에서 수렴을 하지만 도핑하지 않는 GaN 박막에서는 수렴하지 않고 평행한 특성을 보인다. (3) 홀측정 결과는 두께에 의존을 하는데, 상대적으로 두꺼운 시료 (5μm)에서는 계면전도층의 전도가 전체 전도에 기여하는 부분이 줄어 들기 때문에 홀이동도가 얇은 박막 (~2 μm) 보다 크다. 낮은 홀 이동도는 어긋나기에 의한 산란때문이 아니라, 계면전도층과 박막 사이의 혼합 전도 때문이다. 한편 어긋나기에 의한 전자 포획도 어느 정도 낮은 홀 이동도나 특이한 전기 특성 결과를 설명할 수 있다. (4) GaN:Si 박막의 전기특성은 두께 의존성이 없고, 어긋나기에 의한 전자 포획도 없다. 따라서 상대적으로 두꺼운 도핑하지 않은 GaN 박막과 같은 분석방법으로 GaN:Si 박막의 전기특성을 분석할 수 있다. 즉, 고온영역에서는 1-띠 모형으로 분석할 수 있고 저온에서 불순물띠의 전도가 있는 부분은 2-띠 모형으로 분석을 할 수 있다. 계면전도층의 전도만이 존재하는 반절연 GaN 박막의 측정과 분석을 통해 계면전도층의 직접적인 증거를 보였다. (5) SiH₄ 를 변화시키면서 성장한 GaN:Si 박막은 홀 농도 1 ~ 5 x 10^18 cm^-3 와 홀 이동도 200 ~ 300 ㎠/Vs 값을 갖고 LED 에 응용할 수 있는 적합한 양질의 박막이다. 7.2 p-형 GaN (1) 양질의 GaN:Mg 박막을 얻기 위해 f_Cp2Mg 를 변화시키면서 성장을 했다. 여러가지 실험과 특성 분석을 통해 f_Cp2Mg 가 0.6 ~ 0.8 μmol/min 일 때 가장 좋은 박막을 얻을 수 있었다. 또한 f_Cp2Mg 의 양과 관계 없이 열처리 온도가 950 ℃ 일 때 가장 높은 운반자 농도를 얻을 수 있었고, 이 열처리 온도에서 2.7 eV 청색 밴드의 PL 세기가 가장 작은 것으로 관찰이 되었다. 따라서 LED 의 p 층 성장 후 열처리 온도는 950℃가 가장 최적조건이라는 결론을 내릴 수 있다. (2) 전기 특성 분석을 통해 활성화에너지와 주개 농도와의 관계는 0 K에서 E_A = 372 - l.16 × 10^18 N_A meV를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용한 시료들의 활성화 에너지는 0 K 에서는 330 ± 30 meV, 상온에서는 200 ± 40 meV 값을 갖는다. 이 값은 free to bound 결합 (Mg^0, e)인 3.1 eV PL 밴드를 설명할 수 있다. 주개에 의한 받개의 보상효과는 매우 작기 때문에 낮은 이동도와 높은 열처리 온도에서 Mg 의 활성화 감소의 주요원인은 아닌 것으로 판단된다. 보상 주개 농도는 낮고, f_Cp2Mg의 양이나 열처리 온도에 따라 크게 변하지 않는 것은 2.7 eV 밴드를 설명하기에 DAP 모형은 적합하지 않다는 것을 말해 준다. (3) GaN:Mg 전기특성은 2-띠 모형으로 분석을 했고, 가벼운 띠의 전도는 GaN:Mg 의 운반자의 이동을 설명하기 위해서는 고려되어야 한다. 주요 산란기구는 공간전하에 의한 산란과 격자진동에 의한 산란이고, 이온화된 불순물에 의한 산란의 기여도는 적은 것으로 밝혀졌다. 7.3 InGaN/GaN 양자우물 활성층 (1) 양자우물 성장시 f_TMI 와 성장 중단 시간 변화를 통해, 주요 발광기구가 유사양자점에 운반자 국소화 효과라는 것을 여러 실험과 분석을 통해서 밝혔다. 또한 V-결함은 어긋나기 뿐만 아니라 IDB 에 의해 발생 하는 것을 확인했다. (2) LED 구조에서 활성층으로 이용하는 InGaN/GaN 양자우물구조를 여러 성장 변수를 바꾸면서 최적 조건을 찾았다. 양자우물구조의 최적화를 위해서 양자우물수와 장벽의 두께를 변화시키면서 연속적으로 몇 개 그룹으로 성장을 했다. (3) 양자우물내의 In 조성비가 30% 일 때 PL 세기가 최대인 양자우물 수는 5 ~ 6 개 일 때 이고, 장벽의 두께는 두꺼울수록 PL 세기가 증가한다. 우물의 두께가 13~15Å 일 때, 장벽의 두께가 65Å 이하 일 때는 다중양자 우물에서 단일양자우물보다 오히려 PL 세기가 작다. HRXRD, TEM 및 PL 측정을 통하여 양자우물수가 많아지더라도 우물이나 장벽의 성장률은 변함없다는 것을 확인했다. 이러한 양자우물성장 조건들은 LED 응용에 적합한 성장 조건들이다. 7.4 GaN 청색 LED (1) GaN 박막과 InGaN/GaN 양자우물 구조의 최적화 조건을 이용해 청색 LED 를 성장했다. EL peak은 주입전류를 증가시켜도 450 nm 로 일정한 값 을 갖는다. 이것은 TEM 사진과 앞장에서 논의한 InGaN/GaN 양자우물내에 유사양자점이 지배적인 발광기구라는 것을 보였는데, 주입전류에 따른 EL이 청색변이를 하지 않는 것과 일치한다. (2) I-V 측정을 통해 20 mA 에서 동작 전압은 3.34 V, L-I 측정을 통해 출력 파워는 20 mA 에서 1 mW, 외부양자효율은 l.5% 의 값을 갖는 좋은 특성을 갖는 청색 LED를 성장 했다. 7.5 앞으로 연구 과제 (1) 도핑하지 않는 GaN (undoped-GaN) 성장시 사파이어와 GaN 박막 사이의 계면전도층의 형성은 박막 특성을 연구하거나 소자 응용시 누설전류의 통로로서 작용을 한다. 이런 계면전도층의 효과를 최소화하는 기술의 개발이나 계면전도층이 생성되지 않는 최적 성장 조건을 찾을 필요가 있고, 또한 핵형성층에 관한 부분은 특허를 피할 수 있는 기술개발 역시 LED 상업화를 위해서 필요한 부분이다. (2) 양질의 n형 GaN 를 얻기 위해서 In을 도핑 하는 기술에 대한 연구가 필요하다. 핵형성층 뿐만 아니라 박막에 In을 도핑함으로 박막의 특성이 향상이 되고 또한 어긋나기 농도도 감소하는 경향을 보이고 있는데 이 부분에 대해 더 많은 연구가 필요하다. (3) Mg 도핑한 GaN 의 PL peak 들의 근원에 대한 연구가 더 필요하다. (4) Mg 도핑한 GaN 박막과 LED cap층의 Mg 도핑한 GaN 박막 사이에는 많은 특성의 차이가 있을 것으로 예상이 되는데, 이 부분에 대한 연구가 더 필요하다. LED 의 cap 층의 두께나 Mg 의 양, 성장온도 및 압력 등에 대한 고찰이 필요하다. P-층의 오믹 접촉과 LED 전기 특성 및 광특성에 영향을 주기 때문에 성장과 Fab 공정 후 LED 테스트를 반복해서 최적 조건을 잡아야 한다. (5) 양자우물의 발광 기구는 아직도 많은 논란이 있는데, 문헌을 종합하면 In 함량이 30 % 이상에서는 유사양자점 (Quantum-dot like)이, 20% 미만에서는 QCSE가 주요 발광 기구로 여겨진다. 그렇지만 그 사이의 In 함유량을 가진 양자우물은 두 특성이 동시에 나타나는 것으로 생각하고 이에 대한 연구가 더 필요하다. 특히 PL의 발광 특성의 경우 In 함유량이 10 ~ 20 %일 가장 좋은 것으로 나타나는데 이때는 유사양자점 형성이 적어진다. 그렇지만 본 연구에서 밝힌 것처럼 유사양자점의 수가 감소하면 PL 세기는 감소를 한다. 두가지 상반된 부분이 InGaN/GaN 양자우물에 존재를 하고 있다. LED 특성을 정확하게 이해하기 위해서는 이부분들에 대해 연구가 필요하다 (이 유사양자점이 많은 양자우물에서 PL 특성이 좋기 때문에 유사양자점의 수를 증가시키는 성장기술의 개발이 필요하다. 또한 많은 부분들이 특허로 묶여 있기 때문에 특허에서 제시하지 않은 새로운 구조에 대한 연구가 필요 하다. (7) PL 특성과 LED 제작후 EL 특성이 비례를 하기 위해서 많은 연구가 필요하다. 특히 n-층과 p-층의 최적화가 필요하다. 이부분 역시 많은 부분들이 특허와 관련이 있기 때문에 새로운 구조를 성장하는 기술 개발이 필요하다. (8) Fab 공정의 최적화가 이뤄져야만 LED 에피 웨이퍼의 특성을 정확히 분석할 수 있는데 그런 기술이 개발되어야 하고, 그런 기술을 통해 LED 를 만든후 계속해서 feed-back 과정을 거쳐야 한다.
Blue light-emitting diodes have been obtained through optimizing the growth conditions of GaN epilayer and InGaN/GaN quantum wells in this work. By using nucleation layers, it became possible to obtain high-quality GaN films with a mirror-like flat surface, a low residual carrier concentration, high...
Blue light-emitting diodes have been obtained through optimizing the growth conditions of GaN epilayer and InGaN/GaN quantum wells in this work. By using nucleation layers, it became possible to obtain high-quality GaN films with a mirror-like flat surface, a low residual carrier concentration, high carrier mobilities, and a strong photoluminescence intensity. It is found that the GaN film quality increase with TMGa flow rate in nucleation layer and optimum flow rate is 70~80 μmol/min to get high-quality. Temperature-dependent Hall effect measurements on these un-doped GaN epilayers show that, above room temperature, the Hall-mobility values of different samples vary parallel with each other with temperature. We demonstrate that this anomaly is mainly due to a conductive layer near the GaN/sapphire interface for thin samples with low carrier density. Through trapping electrons, threading edge dislocations debilitate the epilayer contribution in a two-layer mixed conduction model involving the epilayer and the near-interface layer. The trapping may in part explain low mobility and anomalous transport in pure GaN layers. Scattering by TEDs is important only at low temperatures. By analyzing Hall effect and capacitance-voltage measurements in highly resistive GaN epilayers, a conductive GaN thin layer is proven to exist near the GaN/sapphire interface. The interface layer is characterized by high electron density and low mobility, and the characteristics is compared with that of high quality epilayer in this report. P-type GaN layers were grown varying Mg flow rate and then rapid thermal annealing (RTA) was performed as a function of temperature to electrically activate Mg impurities. The high carrier concentration could be obtained with Mg flow rate, 0.6~0.8 μmol/min. RTA at~950℃ for 30 seconds was found to be most efficient and the 2.7 eV PL band intensity regardless of Mg impurity density. Temperature-dependent Hall effects show that the thermal activation energy of acceptor (E_A) is strongly dependent on accepter density (N_A), approximated by E_A(0)=372-1.16×10^-18 N_A meV at 0 K, which is about twice as large as the previously reported values, 110~215 meV. Previous works usually assumed temperature-independent E_A, but a strong dependence is obtained in this study. In contradiction to a general belief, the acceptor compensation is very low, suggesting that compensating donor may not be the main origin of the limited Mg activation and low Hall mobility. In addition, the donor density is almost constant with variations of the Mg impurity concentration, raising a question to the donor-acceptor-pair recombination theory for the blue photoluminescence band around 2.7 eV. Optical and structural properties of high quality In_xGa_1-xN/GaN (x>0.3) quantum wells (QWs) with different TMIn flow rate (f_TMIn) by MOCVD. Using AFM, PL, cross-section TEM, HRTEM, and HRXRD the properties of QWs have been investigated, especially about the In fluctuation, quantum dot-like (QD-like) and V-defect. Experimental results show that the quality of QWs decreases with increasing f_TMIn, and for sample with 30μmol/min QW region is quite degraded. The magnitude of In fluctuation is enhanced in higher In composition (>40 %) in QWs layer, as a result the defects increase in number and QWs quality and interface degrades. So, PL peak position is red-shifted and emission intensity decreases at room temperature. TEM image reveals that the V-defect forms not only at threading dislocations from the substrates but also at IDB due to higher misfit strain of high In content In_xGa_1-xN/GaN QWs. PL peak positions of temperature dependency show anomalous shape "S-shape", This PL result evidences that QD-like is dominant mechanism of PL emission. The optimum In composition in QW layer is about 30~35 %, in which QD-like is made in abundance. But as In composition increasing more than 40%, the In fluctuation increment and then the defects augment and QW quality degrades. Effect of growth interruption was investigated on the properties of QWs. Growth interruption was carried out by closing the group-III metal organic sources before and after growth of InGaN QW layers. V-defect are almost constant with increasing interruption time and so the V-defect is not related directly with PL properties. With increasing interruption time, HRTEM image shows that the QD-like and QW thickness are reduced, as a result the PL peak position is blue-shifted and intensity decreases at room temperature. With increasing interruption time, the localized effect in QD-like fitting parameter of temperature dependent PL spectra become small. High-quality InGaN/GaN QWs can be obtained under optimum growth conditions with growth temperature at 750~800℃. The In composition and thickness of InGaN/GaN QWs were estimated by using HRTEM and HRXRD. The thickness of well and barrier are 13~15Å and 45~170Å, respectively. The PL peak intensity increases with barrier thickness and almost saturates above 65Å and the number of well up to five or six. So InGaN/GaN QW must have 5 or 6 pair well number and at least 65Å thickness barrier to get high quality materials. The PL peak positions don't change with well number, implying the growth rate is constant with increasing number of the wells under optimum growth conditions. InGaN/GaN QWs which have many QD-like in well layer show high PL emission intensity. The optimum growth condition obtained through this study can be readily applied to the fabrication of high brightness blue LED and LD epi wafers that have increased quality. Finally, using the optimized growth conditions of GaN epilayer and InGaN/GaN QWs, blue LEDs with InGaN/GaN QWs active layer were successfully fabricated. The emission wavelength of LED was 450 nm. The emission peak is constant as increasing driving current, indicating the dominant emission mechanism is QD-like. TEM images shows QD-like in well region is abundant. The operation voltage at 20 mA is 3.34V. The output power and external quantum efficiency in on-wafer probing are about 1 mW and 1.5 % at 20 mA.
Blue light-emitting diodes have been obtained through optimizing the growth conditions of GaN epilayer and InGaN/GaN quantum wells in this work. By using nucleation layers, it became possible to obtain high-quality GaN films with a mirror-like flat surface, a low residual carrier concentration, high carrier mobilities, and a strong photoluminescence intensity. It is found that the GaN film quality increase with TMGa flow rate in nucleation layer and optimum flow rate is 70~80 μmol/min to get high-quality. Temperature-dependent Hall effect measurements on these un-doped GaN epilayers show that, above room temperature, the Hall-mobility values of different samples vary parallel with each other with temperature. We demonstrate that this anomaly is mainly due to a conductive layer near the GaN/sapphire interface for thin samples with low carrier density. Through trapping electrons, threading edge dislocations debilitate the epilayer contribution in a two-layer mixed conduction model involving the epilayer and the near-interface layer. The trapping may in part explain low mobility and anomalous transport in pure GaN layers. Scattering by TEDs is important only at low temperatures. By analyzing Hall effect and capacitance-voltage measurements in highly resistive GaN epilayers, a conductive GaN thin layer is proven to exist near the GaN/sapphire interface. The interface layer is characterized by high electron density and low mobility, and the characteristics is compared with that of high quality epilayer in this report. P-type GaN layers were grown varying Mg flow rate and then rapid thermal annealing (RTA) was performed as a function of temperature to electrically activate Mg impurities. The high carrier concentration could be obtained with Mg flow rate, 0.6~0.8 μmol/min. RTA at~950℃ for 30 seconds was found to be most efficient and the 2.7 eV PL band intensity regardless of Mg impurity density. Temperature-dependent Hall effects show that the thermal activation energy of acceptor (E_A) is strongly dependent on accepter density (N_A), approximated by E_A(0)=372-1.16×10^-18 N_A meV at 0 K, which is about twice as large as the previously reported values, 110~215 meV. Previous works usually assumed temperature-independent E_A, but a strong dependence is obtained in this study. In contradiction to a general belief, the acceptor compensation is very low, suggesting that compensating donor may not be the main origin of the limited Mg activation and low Hall mobility. In addition, the donor density is almost constant with variations of the Mg impurity concentration, raising a question to the donor-acceptor-pair recombination theory for the blue photoluminescence band around 2.7 eV. Optical and structural properties of high quality In_xGa_1-xN/GaN (x>0.3) quantum wells (QWs) with different TMIn flow rate (f_TMIn) by MOCVD. Using AFM, PL, cross-section TEM, HRTEM, and HRXRD the properties of QWs have been investigated, especially about the In fluctuation, quantum dot-like (QD-like) and V-defect. Experimental results show that the quality of QWs decreases with increasing f_TMIn, and for sample with 30μmol/min QW region is quite degraded. The magnitude of In fluctuation is enhanced in higher In composition (>40 %) in QWs layer, as a result the defects increase in number and QWs quality and interface degrades. So, PL peak position is red-shifted and emission intensity decreases at room temperature. TEM image reveals that the V-defect forms not only at threading dislocations from the substrates but also at IDB due to higher misfit strain of high In content In_xGa_1-xN/GaN QWs. PL peak positions of temperature dependency show anomalous shape "S-shape", This PL result evidences that QD-like is dominant mechanism of PL emission. The optimum In composition in QW layer is about 30~35 %, in which QD-like is made in abundance. But as In composition increasing more than 40%, the In fluctuation increment and then the defects augment and QW quality degrades. Effect of growth interruption was investigated on the properties of QWs. Growth interruption was carried out by closing the group-III metal organic sources before and after growth of InGaN QW layers. V-defect are almost constant with increasing interruption time and so the V-defect is not related directly with PL properties. With increasing interruption time, HRTEM image shows that the QD-like and QW thickness are reduced, as a result the PL peak position is blue-shifted and intensity decreases at room temperature. With increasing interruption time, the localized effect in QD-like fitting parameter of temperature dependent PL spectra become small. High-quality InGaN/GaN QWs can be obtained under optimum growth conditions with growth temperature at 750~800℃. The In composition and thickness of InGaN/GaN QWs were estimated by using HRTEM and HRXRD. The thickness of well and barrier are 13~15Å and 45~170Å, respectively. The PL peak intensity increases with barrier thickness and almost saturates above 65Å and the number of well up to five or six. So InGaN/GaN QW must have 5 or 6 pair well number and at least 65Å thickness barrier to get high quality materials. The PL peak positions don't change with well number, implying the growth rate is constant with increasing number of the wells under optimum growth conditions. InGaN/GaN QWs which have many QD-like in well layer show high PL emission intensity. The optimum growth condition obtained through this study can be readily applied to the fabrication of high brightness blue LED and LD epi wafers that have increased quality. Finally, using the optimized growth conditions of GaN epilayer and InGaN/GaN QWs, blue LEDs with InGaN/GaN QWs active layer were successfully fabricated. The emission wavelength of LED was 450 nm. The emission peak is constant as increasing driving current, indicating the dominant emission mechanism is QD-like. TEM images shows QD-like in well region is abundant. The operation voltage at 20 mA is 3.34V. The output power and external quantum efficiency in on-wafer probing are about 1 mW and 1.5 % at 20 mA.
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