深紫外光電材料及奈米低維結構之摻雜活化機制的X光吸收光譜研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

深紫外光電材料及奈米低維結構之摻雜活化機制的 X 光吸收

光譜研究(2/2)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2112-M-009-011- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電子物理學系(所) 計畫主持人： 陳文雄 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 12 月 8 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

深紫外光電材料及奈米低維結構之摻雜活化機制的 X

光吸收光譜研究(2/2)

計劃編號: NSC-92-2212-M-009-011

執行期間: 92/8/1~93/7/31

主持人：陳文雄 交通大學電子物理系

一、中文摘要

在本期計畫當中，我們藉由 X 光 繞射(X-ray Diffraction, XRD)、光激發 螢光光譜(Photoluminescence, PL)以及 X 光吸收光譜(X-ray Absorption, XAS) 討論不同厚度的氮化銦鎵/氮化鎵單層 量 子 井(InGaN/GaN SQW) 之 應 力 變 化。X 光吸收光譜發現顯著的量子能 階。另外隨著氮化銦鎵厚度的降低我 們 量 測 到 應 力 產 生 的 壓 電 場 由 1.2 MV/cm 減小到 8.5 x10-3 MV/cm。此 計算結果與實驗數據可互相對應。我 們相信氮化銦鎵量子井之應力分佈會 影響氮化銦鎵/氮化鎵光電元件的光學 性質。

二、英文摘要

X-ray absorption spectroscopy (XAS), Photoluminescence (PL) and X-ray Difference (XRD) Spectra of strained single layer InGaN films sandwiched by GaN were performed to study the stain variation in layers of different thickness. The XAS spectrum showed a recognizable quantum confined ground state level of the least strained conduction-band well. In

addition, the strain induced piezoelectric field was seen to relax with increasing InGaN layer thickness. The induced electric field was thus estimated from known InGaN-related peak position, which varied from 1.2 MV/cm for the 4.9 nm sample to 8.5 x 10-3 MV/cm for the 300 nm film. The results were juxtaposed with the experimental data for comparison. We believe the strain relaxation problem in InGaN quantum wells has to be accounted for in any serious InGaN / GaN light-emitting components as it affects the optical properties of these devices.

三、緣由與目的

氮化鎵及相關三族氮化物薄膜已 被廣泛應用在紫外光波長發光元件、 光偵測器、高溫元件以及高功率發光 元 件 之 上 。 為 了 提 高 元 件 的 工 作 效 率，提高 p 型氮化鎵的電洞濃度以及 低維度量子結構的成長是元件發展的 兩個關鍵步驟。在本計畫的第一年當 中，我們利用 X 光吸收細微結構光譜

(X-ray Absorption Fine Structure, XAFS) 研究一系列不同鎂摻雜濃度的 p 型氮 化鎵樣品，在不同的退火活化時間之 下發現鎂摻雜的氮化鎵樣品有鍵長增 加、整齊度增加以及六方晶相增加的 行為。 除此之外，低維度的量子井或量 子點也是增加元件效能的關鍵因素。 但是由於氮化銦鎵和氮化鎵的晶格不 匹配，在接面所產生的壓電場會形成 發光波長的位移現象[1]，尤其以多層 量子井結構最為明顯。為了研究應力 在 量 子 井 內 釋 放 對 於 發 光 機 制 的 影 響，我們對於波長在紫外光的氮化銦 鎵/氮化鎵單層量子井進行 X 光吸收光 譜以及繞射光譜的研究。

四、實驗步驟

本實驗使用之氮化銦鎵/氮化鎵單 層量子井薄膜樣品是使用低壓有機金 屬氣相沈積系統製備。氮化銦鎵厚度由 4.9 nm 變化至 300 nm，個別的樣品銦 組成皆約為13 %。 樣品分析方面，我們首先利用本實 驗室的光激發螢光光譜(PL)系統量測 不同樣品的發光波長。PL 系統的激發 源是波長為325nm 的 Hd-Cd 雷射，工 作溫度為 10K。至於 X 光方面的研究 則是利用同步輻射中心的 X 光光源進 行X 光繞射(2θ/ω掃描)以及銦原子的 L-edge X 光吸收光譜(XAS)

五、結果與討論

圖一是利用 X 光繞射的結果。我 們發現到在氮化鎵(0004)譜峰旁邊可 以看到氮化銦鎵的繞射譜峰，隨著氮 化銦鎵的厚度增加，氮化銦鎵譜峰的 強度也隨之增加。利用2θ/ω掃描的 X 光繞射結果，我們訂出氮化銦鎵/氮化 鎵單層量子井的厚度。成長氮化銦鎵 的時間由1, 4, 16, 99 分鐘時，對應的 氮化銦鎵厚度由 4.9, 12, 45 增加到 300nm。而氮化銦鎵的銦組成濃度大約 在13%左右。 66 68 70 72 74 76 InGaN(0004) InGaN 4.9 nm 12 nm 45 nm 300 nm GaN(0004) I DE T / I MO N 2θ (degree) 圖一. 不同厚度氮化銦鎵/氮化鎵單層量子井 的X 光繞射譜圖 除此之外，光激發螢光光譜的結 果則發現氮化銦鎵的發光波長大約分 布在 439~480nm 的範圍。如圖二所 示，當氮化銦鎵厚度由4.9 增加至 12nm 時，PL 光譜的發光波長呈現相當明顯 的藍位移(blue-shift)，而當厚度繼續增 加時，藍位移的程度逐漸降低，另外 則是出現了 550nm 左右的黃光發光 (yellow emission)。 350 400 450 500 550 600 650 700 YL In-related I₂ 12 nm 45 nm 300 nm 4.9 nm InGaN 300K In te n s ity (a rb . u n its) Wavelength (nm) 圖二. 不同厚度氮化銦鎵/氮化鎵單層量子井 的PL 光譜圖 為了確定發光波長的位置，我們 另外進行低溫的PL 光譜量測。由發光

波長和壓電場的關係式[2]： ) w ( ewF ) w ( E ) w ( E ) T ( E ) w , T ( hν = _g + _e + _h − (1) 我們可以得到在氮化銦鎵/氮化鎵單層 量子井之中的應力分布。其中 Ee以及 Eh 代表電子和電洞在量子井內的量子 能階位置，而 F(ω)則是量子井內的壓 電場強度。 為了確定氮化銦鎵薄膜的確有 量子能階存在，近邊緣 X 光吸收能譜 提供了直接的證據。圖三是銦原子的 L-edge X 光吸收光譜圖(Xas)，用以呈 現 接 近 表 面 時 銦 原 子 附 近 的 鍵 結 結 構 。 我 們 發 現 當 氮 化 銦 鎵 厚 度 降 低 時 ， 由 於 銦 原 子 相 關 的 訊 號 強 度 降 低，因此延伸邊緣精細結構(Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS)的光譜分析受到相當大的雜 訊影響。另一方面，對於近邊緣的精

細 結 構(X-ray Absorption Near Edge

Structure, XANES)由於訊號較強，我們 可以在能帶對能帶吸收(Band-to-Band) 之外，觀測到明顯的量子能階吸收。 3725 3730 3735 3740 300 nm 4.9 nm I XR F / I MO N (arb . un it s) h ν (eV) 圖三. 不同厚度氮化銦鎵/氮化鎵單層量子井 的L-edge 近邊緣 X 光吸收譜圖 我們認為利用 X 光吸收光譜研 究低維度奈米結構有先天上的困難， 由於奈米結構本身尺寸極小，X 光聚 焦 的 尺 寸 遠 比 單 一 個 奈 米 結 構 大 許 多，因此若要研究單一個奈米結構的X 光吸收光譜，尤其是由延伸結構能譜 分析鍵結的鍵長，配位數等等。我們 認為若要深入研究奈米結構的 X 光吸 收光譜特性，更強的 X 光光源能夠解 析銦原子K-edge 的吸收光譜將是迫切 需要的實驗設備。 利用近邊緣 X 光吸收光譜確定 氮化銦鎵/氮化鎵單層量子井內的量子 能階，因此我們代入PL 量測的結果到 關係式(1)當中，可以得到氮化銦鎵厚 度在4.9, 12, 45, 300nm 時，存在於單 層量子井內的壓電場強度分別是 1.1, 0.27, 0.075, 0.001 MV/cm。除此之外， 利用 wurtzite 結構的應力張量[3]，我 們可以算出這一系列樣品的應力釋放 情形。如圖四所示，當氮化銦鎵厚度 降低時，由於晶格不匹配所形成的應 力還能夠維持在氮化銦鎵薄膜當中， 因此壓電場強度最強。相反的當氮化 銦鎵厚度增加時，由於應力經由缺陷 或錯位的形成而釋放，因而降低單層 量子井的壓電場強度。 10 100 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 300K 20K in -p la n e st re ss (GPa ) Thickness (nm) 圖四. 不同厚度氮化銦鎵/氮化鎵單層量子井 的應力分布 壓電場強度和氮化銦鎵單層量 子井厚度的關係由圖五所示。當壓電 場強度增加時，原本的有限位能井能

帶結構將被扭曲，因此電子將由於靜 電力的作用，聚集在量子井靠近基版 的椄面之上。相反的，電洞則是聚集 在量子井靠近表面的椄面之上。由於 電子電洞在受到壓電場作用的情形之 下 並 不 是 直 接 複 合 (direct revombine)，因而造成發光波長藍位移 的現象。 圖五(a). 未受壓電場作用的量子井結構 圖五(b). 受壓電場作用的量子井結構

六、結論

本計畫中，我們藉由 X 光繞射 (X-ray Diffraction, XRD)、光激發螢光 光譜(Photoluminescence, PL)以及 X 光 吸收光譜(X-ray Absorption, XAS)討論 不同厚度的氮化銦鎵/氮化鎵單層量子 井(InGaN/GaN SQW)之應力變化。隨 著氮化銦鎵厚度的降低我們量測到應 力產生的壓電場由 1.2 MV/cm 減小 到 8.5 x10-3 MV/cm。2。我們相信氮化 銦鎵量子井之應力分佈會影響氮化銦 鎵/氮化鎵光電元件的光學性質。

參考資料

[1] T. Takeuchi et al., Appl. Phys. Lett. 73, 1691 (1998) [2] H. Teisseyre, J. Appl. Phys. 76, 2429 (1997) [3] J. Bai et al., J. Appl. Phys. 90, 1740 (2001)

w E_g E_e E_h V_e E_e E_g E_h w E_g E_e E_h Ve