Reordenamiento atómico asistido por hidrógeno en pozos cuánticos múltiples basados en GaN: Mejorando uniformidad estructural y eficiencia óptica a 750 °C

Resumen

Reportamos tres muestras de pozos cuánticos múltiples (MQWs) basados en GaN crecidas a baja temperatura de 750 °C. En lugar de la rampa de temperatura convencional, introdujimos una mezcla de gas hidrógeno/amoniaco (H₂/NH₃) durante la interrupción tras depositar las capas de pozo InGaN. Variando el flujo de hidrógeno, observamos un pronunciado reordenamiento atómico dentro de los MQWs. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) revela que un flujo óptimo de hidrógeno produce interfaces nítidas, planas y una distribución homogénea de indio. Consecuentemente, la eficiencia de luminiscencia mejora marcadamente mediante supresión de recombinación no radiativa. El reordenamiento atómico se atribuye a la difusión mejorada de adátomos de galio e indio en ambiente H₂/NH₃, reduciendo la barrera de potencial para equilibración termodinámica. El exceso de hidrógeno, sin embargo, daña parcialmente los MQWs y degrada el rendimiento óptico.

Introducción

Los pozos cuánticos múltiples InGaN/GaN son centrales para dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia a lo largo del espectro visible. Cultivar MQWs de alto contenido de indio para LEDs y diodos láser azules y verdes sigue siendo desafiante, principalmente porque la incorporación de indio se suprime a temperaturas elevadas, mientras temperaturas bajas dificultan la difusión superficial de galio, llevando a crecimiento tridimensional y capas barrera rugosas. Adicionalmente, el gran desajuste de red entre InN y GaN promueve segregación de fases y gradación composicional de indio, comprometiendo aún más la uniformidad.

Numerosas estrategias —crecimiento de barreras a mayor temperatura, rampa de temperatura post-crecimiento, interrupciones de crecimiento y deposición de barreras asistida por hidrógeno— se han explorado para afilar interfaces y homogeneizar distribución de indio. Sin embargo, la mayoría de enfoques aún dependen de rampa de temperatura, que limita incorporación de indio y puede degradar MQWs de alto indio. La incorporación de hidrógeno durante crecimiento de InGaN se evita generalmente debido a su efecto perjudicial en retención de indio. En este estudio, introducimos una mezcla controlada H₂/NH₃ durante una breve interrupción tras deposición de pozo InGaN, sin ninguna rampa de temperatura, e investigamos su influencia en estructura y propiedades ópticas de MQWs.

Proceso Experimental

Muestras A, B y C se fabricaron en zafiro plano-c usando reactor de ducha acoplado cercano Thomas Swan 3×2 in. Trietilgalio (TEGa), trimetilindio (TMIn) y amoníaco (NH₃) sirvieron como precursores de Ga, In y N, respectivamente. Cada estructura comprende un búfer GaN dopado Si de 2 µm, una región activa MQW InGaN/(In)GaN de dos periodos no intencionalmente dopada, y una capa de tope GaN dopado Mg de 150 nm. Todas las capas se crecieron a 750 °C. Una delgada capa de tope GaN se depositó sobre cada pozo InGaN para protegerlo durante exposición a hidrógeno.

Muestra A (referencia) continuó directamente con crecimiento de barrera tras la capa de tope. Muestra B recibió 100 sccm H₂ por 100 s, seguido de deposición de barrera. Muestra C recibió 200 sccm H₂ por la misma duración. En todos los casos, flujo de NH₃ se mantuvo a 3 slm, asegurando atmósfera mixta H₂/NH₃ durante tratamiento con hidrógeno. Los parámetros de crecimiento restantes fueron idénticos entre las tres muestras.

Análisis estructural empleó TEM JEOL JEM-F200. Difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) se realizó en Rigaku SmartLab. Espectros de fotoluminiscencia dependientes de temperatura (TD-PL) se registraron de 30 a 300 K usando láser He-Cd 325 nm. Imagen PL microscópica (µ-PL) utilizó microscopio confocal Nikon A1 excitado con láser 405 nm.

Resultados y Discusión

Fotoluminiscencia a Temperatura Ambiente

Espectros PL a temperatura ambiente muestran que muestra B, tratada con 100 sccm H₂, exhibe la emisión más fuerte, mientras intensidad de muestra C es intermedia, y la de muestra A es la más baja. Todas las muestras pican cerca de 455 nm, correspondiendo a transiciones interbandas InGaN/GaN, con pico secundario alrededor de 365 nm atribuido a emisión de banda cercana GaN. Estos resultados indican que un flujo moderado de hidrógeno mejora luminiscencia, mientras hidrógeno excesivo la degrada.

Análisis TEM de Interfaces MQW

Imágenes TEM revelan que muestra A tiene interfaces QW/QB ondeadas y agrupamiento significativo de indio en superficies de pozo. En contraste, muestras B y C muestran interfaces empinadas, planas con fluctuaciones mínimas de espesor. La distribución de indio en muestra B es uniforme, mientras muestra C muestra disrupciones de interfaz, sugiriendo grabado parcial al mayor flujo de hidrógeno. Estas observaciones confirman que un flujo óptimo de H₂ (100 sccm) induce reordenamiento atómico que alisa interfaces y homogeneiza indio.

Mecanismo de Reordenamiento Inducido por Hidrógeno

A 750 °C, adátomos de galio poseen movilidad superficial limitada, favoreciendo crecimiento de barrera tridimensional e interfaces ondeadas. Átomos de indio, debido a gran brecha de miscibilidad con GaN, tienden a agruparse. Introducir H₂ en presencia de NH₃ aumenta cobertura superficial de radicales NH₂, reduciendo energía de unión de adátomos Ga e In y mejorando así su difusión y desorción. Durante la exposición de 100 s a hidrógeno, galio e indio pueden migrar distancias mayores, alcanzando equilibrio termodinámico y aplanando interfaces. Grupos ricos en indio desorben preferentemente, llevando a composición más uniforme. Hidrógeno excesivo (200 sccm) aumenta aún más desorción de indio e introduce grabado, causando daño de interfaz observado en muestra C.

Parámetros Estructurales de HRXRD

Escaneos ω-2θ alrededor de reflexión (0002) se ajustaron usando Global Fit. Muestra B muestra ligera reducción en contenido de indio relativa a muestra A, atribuida a grabado inducido por hidrógeno de los pozos. Muestra C exhibe reducciones adicionales en espesor de pozo y contenido de indio, mientras capas barrera se vuelven más gruesas y ricas en indio debido a re-incorporación de indio desorbido. Estas tendencias se alinean con hallazgos TEM.

PL a Baja Temperatura y Uniformidad de Luminiscencia

A 30 K, todas las muestras muestran réplica de fonón ~90 meV sobre pico principal, indicando acoplamiento fonón GaN. Energía de pico de muestra A es menor que B y C, reflejando su mayor contenido de indio. Valores ancho a media altura (FWHM) son 12,3 nm (A), 10,1 nm (B) y 12,6 nm (C). El FWHM más estrecho en muestra B confirma uniformidad superior de distribución de indio y espesor de pozo.

Desplazamiento PL Dependiente de Temperatura

Todas las muestras exhiben desplazamiento al azul inicial seguido de desplazamiento al rojo al aumentar temperatura, característico de dinámica de estados localizados en MQWs basados en GaN. La magnitud del desplazamiento al azul es mayor para muestra A y menor para muestra B, indicando paisaje de localización más homogéneo en muestra B. Muestra C muestra temperatura de giro al rojo distinta (~160 K) comparada con ~200 K para A y B, probablemente debido a daño de interfaz alterando localización de portadores.

Mapeo µ-PL

Imágenes µ-PL revelan que muestra A contiene numerosos puntos no luminiscentes, reflejando agrupamiento de indio y centros no radiativos asociados. Muestra B muestra reducción significativa de tales puntos, consistente con homogeneidad de indio mejorada. Muestra C re-introduce algunas pequeñas regiones no luminiscentes, atribuibles a MQWs parcialmente dañados.

Eficiencia Cuántica Interna

Usando relación de intensidad PL integrada I₃₀₀K/I₃₀K como proxy de IQE, muestra B alcanza IQE de 30,21 %, aumento dramático desde 1,61 % (A) y 18,48 % (C). La mejora proviene de interfaces aplanadas, distribución uniforme de indio y recombinación no radiativa suprimida. Hidrógeno excesivo reduce IQE debido a daño de interfaz.

Conclusión

Demostramos que un breve tratamiento H₂/NH₃ tras deposición de pozo InGaN, a 750 °C sin rampa de temperatura, induce reordenamiento atómico que produce interfaces MQW planas, nítidas y perfil de indio homogéneo. Este proceso produce aumento triple en intensidad de luminiscencia y 30 % IQE. Sin embargo, flujo de hidrógeno debe controlarse cuidadosamente; flujo excesivo daña pozos y degrada rendimiento.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Datos que respaldan estos hallazgos están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.