양자우물의 두께가 다른 4종류의 $In_xGa_{1-x}N(x=0.15)/GaN$ 다중 양자우물 구조의 PL 스펙트럼을 분석하여 InGaN에서의 결정상 분리 현상을 조사하였다. 우물폭이 1.5 nm에서 6.0 nm로 증가함에 따라, PL스펙트럼은 비대칭성이 점점 강해지는 이중 피크의 특성을 나타내었다. 곡선맞춤을 수행하여 분리한 2개의 피크를 분석하여, InGaN 우물에서의 부준위 천이에 해당하는 고에너지 피크의 세기는 줄어드는 반면, 상분리에 의하여 생성된 저에너지 피크의 강도는 점점 강해짐을 볼 수 있었다. 이것은 InGaN 우물에는 In 조성이 다소 다른 2개의 결정상이 존재하여, 우물폭 증가와 함께 InN 상분리가 강해지면서 In 조성이 큰(In-rich) InGaN 결정상이 상대적으로 증대됨을 보여 주는 결과로 해석된다. 우물 두께가 6.0 nm인 시료에서는 저에너지 영역(${\sim}2.0eV$)에서 또 하나의 피크이 관측되었는데, 이것은 GaN에서 잘 알려져 있는 결함에 기인한 황색준위(YB)와 그 근원이 같은 것으로, InN의 상분리가 임계값 이상으로 발달하여 생성된 결함과 관련된 준위인 것으로 해석된다.
양자우물의 두께가 다른 4종류의 $In_xGa_{1-x}N(x=0.15)/GaN$ 다중 양자우물 구조의 PL 스펙트럼을 분석하여 InGaN에서의 결정상 분리 현상을 조사하였다. 우물폭이 1.5 nm에서 6.0 nm로 증가함에 따라, PL스펙트럼은 비대칭성이 점점 강해지는 이중 피크의 특성을 나타내었다. 곡선맞춤을 수행하여 분리한 2개의 피크를 분석하여, InGaN 우물에서의 부준위 천이에 해당하는 고에너지 피크의 세기는 줄어드는 반면, 상분리에 의하여 생성된 저에너지 피크의 강도는 점점 강해짐을 볼 수 있었다. 이것은 InGaN 우물에는 In 조성이 다소 다른 2개의 결정상이 존재하여, 우물폭 증가와 함께 InN 상분리가 강해지면서 In 조성이 큰(In-rich) InGaN 결정상이 상대적으로 증대됨을 보여 주는 결과로 해석된다. 우물 두께가 6.0 nm인 시료에서는 저에너지 영역(${\sim}2.0eV$)에서 또 하나의 피크이 관측되었는데, 이것은 GaN에서 잘 알려져 있는 결함에 기인한 황색준위(YB)와 그 근원이 같은 것으로, InN의 상분리가 임계값 이상으로 발달하여 생성된 결함과 관련된 준위인 것으로 해석된다.
We have investigated photoluminescence(PL) spectra of four $In_xGa_{1-x}N(x=0.15)/GaN$ multiple quantum well(MQW) structures with different well widths in order to study a phenomenon on crystal phase separation. The asymmetic behavior of PL spectra becomes stronger with increase of the we...
We have investigated photoluminescence(PL) spectra of four $In_xGa_{1-x}N(x=0.15)/GaN$ multiple quantum well(MQW) structures with different well widths in order to study a phenomenon on crystal phase separation. The asymmetic behavior of PL spectra becomes stronger with increase of the well width from 1.5 nm to 6.0 nm, which indicates dual-peak nature. Analyzing the dual-peak fit PL spectra, we have observed that the intensity of low-energy shoulder peak rapidly becomes stronger, compared to that of high-energy peak corresponding to a transition in InGaN QW. It suggests that InGaN QW has two phases with tiny different In compositions, and that In-rich(InN-like) phase forms more and more relatively than stoichiometric InGaN(x=0.15) phase by the InN phase separation mechanism as the QW width increases. PL spectrum of 6.0-nm sample shows an additional peak at low-energy lesion(${\sim}2.0\;eV$) whose energy position is almost the same as a defect band of yellow luminescence frequently observed in GaN epilayers. It may be due to a defect resulted from In deficiency formed with development of the phase separation.
We have investigated photoluminescence(PL) spectra of four $In_xGa_{1-x}N(x=0.15)/GaN$ multiple quantum well(MQW) structures with different well widths in order to study a phenomenon on crystal phase separation. The asymmetic behavior of PL spectra becomes stronger with increase of the well width from 1.5 nm to 6.0 nm, which indicates dual-peak nature. Analyzing the dual-peak fit PL spectra, we have observed that the intensity of low-energy shoulder peak rapidly becomes stronger, compared to that of high-energy peak corresponding to a transition in InGaN QW. It suggests that InGaN QW has two phases with tiny different In compositions, and that In-rich(InN-like) phase forms more and more relatively than stoichiometric InGaN(x=0.15) phase by the InN phase separation mechanism as the QW width increases. PL spectrum of 6.0-nm sample shows an additional peak at low-energy lesion(${\sim}2.0\;eV$) whose energy position is almost the same as a defect band of yellow luminescence frequently observed in GaN epilayers. It may be due to a defect resulted from In deficiency formed with development of the phase separation.
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문제 정의
InN QD 제작에 잎. 서본 연구에서는, InGaN/GaN 다중 양자우물(multiple qu antum well, MQW) 구조를 이용하여 InGaN 우물폭(well width) 이 변화할 때 InN 상분리 효과가 photolu- minescence(PL) 스펙트럼에 미치는 변화를 조사한 기초연구 결과를 보고하고자 한다.
가설 설정
2. (a) Plots for PL peak energies for 2 peaks(P1, P2) resolved from original spectra as a fnction of quantum well width, (b) Curves for PL intensity ratios of P2/P1(left scale) and YB/ P1(right scale) as a function of quantum well width.
제안 방법
15)/GaN MQW 구조를 제작하였다. (0001) sapphire(Al2O3) 기판을 사용하여 560 C 에서 25 nm의 저온 GaN 완충층(buffer layer)을형성하고, 이어서 1130°C 에서 1 pm 두께의 GaN 에피층을성장한 후 10 주기의 InGaN/GaN MQW를 적층하였다. InGaN 우물 폭을 1.
InN 상분리 에 의한 결정성의 변화를 관측하기 위하여, 4- crystal Ge(220) 단색광 장치가 부착되어 있는 고분해능 X 선 회절법(x-ray diffractometry, XRD)(Philips Xpert MRD)을 이용하였다. (0002) 대칭 반사면에 대한 0)/26- scan 결과로부터 역격자공간 분포도(reciprocal space mapping, RSM)를 취하여 결정성의 변화를 조사하였으며, (1015) 비대칭 회절면에 대한 역격자공간에서 분석한 격자부 정합(lattice mismatch)으로부터 수평방향의 평균 격자상수를 계산하였다 [14],
이용하였다. GaAs 검출소자가 부착된 광증배관 (photomultiplier tube, PMT)과 lock-in 증폭기로 신호를 처리하여 PL 스펙트럼을 얻었으며, 곡선맞춤(curve fitting) 을 통하여 2개의 피크로 분리하여 신호를 분석하였다. InN 상분리 에 의한 결정성의 변화를 관측하기 위하여, 4- crystal Ge(220) 단색광 장치가 부착되어 있는 고분해능 X 선 회절법(x-ray diffractometry, XRD)(Philips Xpert MRD)을 이용하였다.
(0001) sapphire(Al2O3) 기판을 사용하여 560 C 에서 25 nm의 저온 GaN 완충층(buffer layer)을형성하고, 이어서 1130°C 에서 1 pm 두께의 GaN 에피층을성장한 후 10 주기의 InGaN/GaN MQW를 적층하였다. InGaN 우물 폭을 1.5 nm씩 증가시키면서 4 종류의 MQW 시료(1.5, 3.0, 4.5, 6.0 nm)를 제작하였는데, 이때 GaN 장벽 두께는 우물폭보다 충분히 두꺼운 7.5 nm로 고정하였다.
InGaN에서의 상분리 현상을 연구하기 위하여, 양자 우물의 폭이 다른 4종류의 InxGai-xN(x=0.15)/GaN 다중양자 우물 구조를 제작하고 PL 스펙트럼을 분석하였다. PL 스펙트럼은 우물폭이 1.
TEM 사진으로부터 InN 또는 In-rich InGaN로 추정되는 영상을 관측할 수가 있었으며, (0001) 대칭면과 (1015) 비대칭면에 대한 고분해능 XRD의 RSM 분포도와 평면 격자상수를 도출하여 우물폭에 따른 변화를 분석하였다. InN 상분리가 발달함에 따라 RSM의 퍼짐은 점진적으로 증가하고, 1.
이것은 InGaN QW에는 In 조성이 다소 다른 2개의 결정상이 존재하고 있여, 우물폭 (또는 성장시간)의 증가와 함께 InN 상분리가 발달하면서 In 조성이 다소 큰 InGaN 결정상이 증대된 결과임을 밝혔다. 또한, 우물 두께가 6.0 nm 인 시료에서는 저에너지 영역에 새로운 피크가 관측되었는데, 이것은 InN 상분리가 임계수준 이상으로 발달하면서 생성된 결함준위로서 GaN 황색준위(YB)와 그 근원이 같은 것으로 해석하였다.
본 연구에서는 유기금속화학증착(metal-organic che mical vapor deposition, MOCVD) 성장법을 이용하여 QW 의 폭이 다른 4 종류의 InxGai-xN(x=0.15)/GaN MQW 구조를 제작하였다. (0001) sapphire(Al2O3) 기판을 사용하여 560 C 에서 25 nm의 저온 GaN 완충층(buffer layer)을형성하고, 이어서 1130°C 에서 1 pm 두께의 GaN 에피층을성장한 후 10 주기의 InGaN/GaN MQW를 적층하였다.
이론/모형
GaAs 검출소자가 부착된 광증배관 (photomultiplier tube, PMT)과 lock-in 증폭기로 신호를 처리하여 PL 스펙트럼을 얻었으며, 곡선맞춤(curve fitting) 을 통하여 2개의 피크로 분리하여 신호를 분석하였다. InN 상분리 에 의한 결정성의 변화를 관측하기 위하여, 4- crystal Ge(220) 단색광 장치가 부착되어 있는 고분해능 X 선 회절법(x-ray diffractometry, XRD)(Philips Xpert MRD)을 이용하였다. (0002) 대칭 반사면에 대한 0)/26- scan 결과로부터 역격자공간 분포도(reciprocal space mapping, RSM)를 취하여 결정성의 변화를 조사하였으며, (1015) 비대칭 회절면에 대한 역격자공간에서 분석한 격자부 정합(lattice mismatch)으로부터 수평방향의 평균 격자상수를 계산하였다 [14],
성능/효과
(일반적으로, IiuGaiN와 같은 3원화합물에서 조성(x)에 대한 밴드갭 에너지의 변화 경향은 QW 구조에도 적용이 가능하다[18].) InGaN에는 자발적 InN 상분리에 의하여 2개의 상이 공존하고 있음을 알 수 있으며, 우물 폭이 넓어지면 성장시간의 증가 때문에 상분리 현상도 더 발달되는 것으로 판단된다. Fig.
0 nm로 증가함에 따라 비대칭성이 점점 강해지는 이 중 피크의 특성을 보여 주었다. 2중 피크로 곡선맞춤한 스펙트럼을 분석하여 InGaN 우물의 부준위 천이에 해당하는 고에너지 피크(P1)의 세기는 줄어드는 반면, 상분리가 개입된 저에너지 피크(P2)의 강도는 점점 강해짐을 볼 수 있으며, P2/P1의 상대 강도는 우물 폭에 대하여 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 이것은 InGaN QW에는 In 조성이 다소 다른 2개의 결정상이 존재하고 있여, 우물폭 (또는 성장시간)의 증가와 함께 InN 상분리가 발달하면서 In 조성이 다소 큰 InGaN 결정상이 증대된 결과임을 밝혔다.
분석하였다. InN 상분리가 발달함에 따라 RSM의 퍼짐은 점진적으로 증가하고, 1.5-4.5 nm인 시료들의 격자이완은 결정성을 유지하면서 완만한 변화를 보이는 반면, 6.0-nm 시료에서는 InN 상분리와 YB와 같은 결함 생성에 따라 격자 이완과 격자상수가 급격히 증가함을 보였다. XRD 분석은 PL 스펙트럼에서 보여 준 상대강도(P2/P1) 의 증가 및 YB의 발생과 잘 일치하는 결과로서, 상분리에 의한 QD-like InN 연구에 기초 자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
우물폭이 증가함에 따라 P2/P1의 상대 강도가 거의 선형적으로 증가하고 있음을 볼 수가 있는데, 이것은 InGaN 우물의 성장시간은 두께는 직접 비례하기 때문으로 해석된다. InN 상분리는 성장온도와 성장시간에 강하게 의존할 것은 분명하므로, 고온의 일정한 온도(1130°C) 에서 성장한 InGaN의 상분리 발달 정도가 성장시간에 1차적으로 비례하는 관계를 보여 준 본 실험은 상당히 설득력 있는 결과인 것으로 판단된다. YB/P1 곡선이 보여주고 있는 바와 같이, 4.
0-nm 시료에 대한 투과전자현미경 (transmission electron microscope, TEM) 사진이다. 상분리에 의한 InN 또는 In-rich InGaN로 추정되는 바탕과 구별되는 검고 작은 영상을 보여주고 있으며, 정확하지는 않지만 3-5 nm 크기의 결정상이 임의분포하고 있음을 관측할 수 있었다. TEM 사진에서와 같이, 분리된 결정상이 임의분포할 경우에는 결정성과 격자상수에 영향을 미치기 때문에 고분해능 XRD로 그 평균적 인 값을 결정할 수가 있음은 이미 보고한 바 있다.
후속연구
0-nm 시료에서는 InN 상분리와 YB와 같은 결함 생성에 따라 격자 이완과 격자상수가 급격히 증가함을 보였다. XRD 분석은 PL 스펙트럼에서 보여 준 상대강도(P2/P1) 의 증가 및 YB의 발생과 잘 일치하는 결과로서, 상분리에 의한 QD-like InN 연구에 기초 자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (20)
S. Nakamura and S. F. Chichibu, Introduction to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light Emitting Diodes (London, Taylor & Francis, 2000)
R. Ascazubi, I. Wilke, K. Denniston, H. Lu, and W. J. Schaff, Appl. Phys. Lett. 84, 4810 (2004)
P. R. Edwards, R. W. Martin, I. M. Watson, C. Liu, R. A. Taylor, J. H. Rice, J. H. Na, J. W. Robinson, and J. D. Smith, Appl. Phys. Lett. 85, 4281 (2004)
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