InₓGa₁₋ₓN/GaN Heteroyapılarının Yüksek Çözünürlüklü X-Işını Kırınımı (HR-XRD) Yöntemiyle Yapısal Karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, elektronik ve optoelektronik cihazların üretiminde yaygın olarak kullanılan InₓGa₁₋ₓN/GaN çoklu kuantum kuyu (MQWs) LED kristal yapısının büyütülmesi hedeflenmiştir. Yapı, LED uygulamalarında kullanılmak üzere Bilkent Üniversitesi laboratuvarlarında, metal organik buhar fazı biriktirme (MOCVD) yöntemi ile bir safir (Al₂O₃) alttaş üzerine epitaksiyel olarak büyütülmüştür. Büyütülen yapı; 100 nm kalınlığında, düşük sıcaklıkta büyütülen GaN nucleation tabakası, 700 nm kalınlığında yüksek sıcaklıkta büyütülmüş GaN tampon tabakası, 250 nm kalınlığında n-tipi GaN tabakası, 5 çift (InₓGa₁₋ₓN/GaN) MQW yapısı ve 200 nm kalınlığında p-tipi GaN üst tabakadan oluşmaktadır. Bu katmanlar, c-düzlemine (0001) hizalanmış, 330 µm kalınlığındaki safir alttaş üzerine epitaksiyel olarak büyütülmüştür. Büyütülen yapı; 100nm kalınlığında düşük sıcaklıklı GaN nucleation tabaka, 700nm kalınlığında yüksek sıcaklıklı GaN tampon tabaka, 250nm kalınlığında n-tipi GaN tabaka, 5x(InxGa1-xN/GaN) MQW tabaka ve 200nm kalınlığında p-tipi GaN üst tabakadan oluşmaktadır. Bu katmanlar (0001) c-düzlemli 330µm kalınlıklı safir alttaşı üzerine epitaksiyel olarak büyütülmüştür. Yapının yapısal karakterizasyonu yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı (HRXRD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Alttaşın simetrik (002) ve (004) yansımaları üzerine ölçülen Rocking eğrileri, hem dinamik hem de kinematik kırınım teorileri temelinde LEPTOS simülasyon programı kullanılarak modellenmiştir. Ayrıca ters uzay haritalama (Reciprocal Space Mapping, RSM) analizi de gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda, yapıdaki tabakaların gerilim (strain) altında olduğu hem rocking eğrileri hem de ters uzay haritası ile doğrulanmıştır. Katmanların çok ince olması nedeniyle asimetrik düzlem yansımaları gözlenememiş, ancak simetrik (002) ve (004) düzlem yansımaları net bir şekilde elde edilmiştir. HRXRD ölçümleri, Bruker AXS D8 Discover difraktometresi ile yapılmıştır.

Keywords

• MOCVD
• Yarıiletken Büyütme
• InGaN/GaN
• GaN
• X-Işını Kırınımı
• Kristal Kusurlar

Structural Characterization of InₓGa₁₋ₓN/GaN Heterostructures by High-Resolution X-Ray Diffraction (HR-XRD)

Abstract

In this study, the growth of InₓGa₁₋ₓN/GaN multiple quantum well (MQW) LED crystal structures, which are widely used in the fabrication of electronic and optoelectronic devices, was targeted. The structure was epitaxially grown on a sapphire (Al₂O₃) substrate using the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method at the laboratories of Bilkent University for potential LED applications. The grown structure consists of a 100 nm thick low-temperature GaN nucleation layer, a 700 nm thick high-temperature GaN buffer layer, a 250 nm thick n-type GaN layer, five pairs of (InₓGa₁₋ₓN/GaN) MQW layers, and a 200 nm thick p-type GaN top layer. These layers were epitaxially grown on a 330 µm thick sapphire substrate oriented along the c-plane (0001). The structural characterization of the grown sample was carried out using high-resolution X-ray diffraction (HRXRD). Rocking curves measured around the symmetric (002) and (004) reflections of the substrate were modeled using the LEPTOS simulation software, based on both dynamic and kinematic diffraction theories. Additionally, reciprocal space mapping (RSM) analysis was performed. The results confirmed that the layers within the structure are under strain, as verified by both the rocking curves and the reciprocal space maps. Due to the very thin nature of the layers, asymmetric plane reflections could not be observed; however, clear symmetric (002) and (004) reflections were obtained. HRXRD measurements were conducted using a Bruker AXS D8 Discover diffractometer.

Keywords

• MOCVD
• Semiconductor Growth
• InGaN/GaN
• GaN
• X-Ray Diffraction
• Crystal Defects

References

1. Akasaki I., Detchprohm T., Hiramatsu K. Obsarvation of resonant raman lines during the photoluminesence. Applied Physics Letters 1996; 68(9): 1265-1267.
2. Arakawa Y., Sakaki H. Structural and optical properties of semiconductor superlattices. Applied Physics Letters 1995; 40(4): 3795–3797.
3. Bantien F., Weber J. Manganese luminescence in AlGaAs-alloys and AlGaAs/GaAs quantum wells. Solid State Communications 1987; 61(7): 423-426.
4. Bloch J., Shah J., Hobson WS., Lopata J., Chu SNG. Room-temperature 1.3 μm emission from InAs quantum dots grown by metal organic chemical vapor deposition. Applied Physics Letters 1999; 75(15): 2199–2201.
5. Booker ID., Khoshroo L.R., Woitok JF., Jansen RH., Kaganer V., Mauder C., Behmenburg H., Gruis J., Hauken M., Kalisch H. Dislocation density assessment via X-ray GaN rocking curve scans. Physica Status Solidi (C) Current Topic in Solid State Physics 2010; 7(7-8): 1787-1789.
6. Bour DP., Kneissl M., Hofstetter D., Romano LT., McCluskey M., Van de Walle CG., Krusor BS., Dunnrowicz C., Dolaldson R., Johnson NM. MOCVD growth and characterization of AlGaInN multiple quantum well heterostructures and laser diodes. Materials Science and Engineering. 1999; B59 (1-3): 33–38.
7. Borroff R., Merlin R., Chin H., Bhattacharya PK. Raman scattering by optical phonons in In1-y-zAlyGazAs lattice matched to InP. Applied Physics Letters 1998; 53(17): 1652-1653.
8. Cho A. Film deposition by moleculer beam technique. Journal of Vacuum Science and Technology 1971; 8(5): 31-38.

9. Ekinci H., Kuryatkov VV., Fotgey C., Dabiran A., Jorgenson R., Nikishin SA. Properties of InGaN/GaN MQW LEDs grown by MOCVD with and without hydrogen carrier gas. Journal of Vacuum Science and Technology 2018; 148: 168-172.
10. Feaster PF. X-Ray scattering from semiconductors. London: Imperial College Press;.2000.
11. Foxon CT., Cheng TS., Novikov SV. The growth and properties of group III nitrides. Journal of Crystal Growth 1995; 150(2): 892-898.
12. Fukatsu S., Yoshida H., Fujiwara A., Takahashi Y., Shiraki Y., Ito R. Spectral blue shift of photoluminescence in strained layer SixGe1-x/Si quantum well structure grown by gas source Si MB. Applied Physics Lett. 1992; 61(7): 804-806.
13. Hu H., Zhou S., Wan H., Liu X., Xu H. Effect of strain relaxation on performance of InGaN/GaN green LEDs grown on 4-inch sapphire substrate with sputtered AlN nucleation layer. Scientific Reports 2019; 9, Article number: 3447.
14. Ghosh S., Lenihan AS., Dutt G., Qasaimeh O., Steel DG., Bhattacharya P. Nonlinear optical and electro-optic properties of InAs/GaAs self-organized quantum dots. Journal of Vacuum Science & Technology B 2001; 19(4): 1455-1458.
15. Kaganer, VM., Brandt O., Ploog KH. X-ray diffraction peaks from threading dislocations in GaN epitaxial films. Physical Review B. 2005: 72(4): 045423.
16. Korcak S., Öztürk MK., Özçelik S. InxGa1-xN/GaN yapısının yüksek çözünürlükte yapısal analizi. 12. Yoğun Madde Fiziği Toplantısı 2005; 51, Ankara Üniversitesi, Türkiye.
17. Korcak S., Öztürk MK., Çörekçi S., Akaoğlu B., Yu H., Çakmak M., Sağlam S., Özçelik S., Özbay E. Structural and optical properties of an InxGa1-xN/GaN nanostructure. Surface Science 2007; 601(18): 3892-3897.
18. Korcak S., AlxGa1-xAs ve InxGa1-xN tabakalı yarıiletken yapıların optik ve yapısal özelliklerinin tayini (Doktora Tezi). Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 49, Ankara, Türkiye, 2007.
19. Leonard D., Krishanmurity M., Reavers CM., Denbaars SP., Petroff PM. Direct formation of quantum-sized dots from uniform coherent islands of InGaAs on GaAs surfaces. Applied Physics Letters 1993; 63(23): 3203-3205.
20. Mirin PP., Ibbetson JP., Nishi K., Gossard AC., Bowers JE. 1.3 μm photoluminescence from InGaAs quantum dots on GaAs, Applied Physics Letters 1995; 67(25): 3795-3797.
21. Morkoç H., Strite S., Gao GB., Lin ME., Sverdlov B., Burns M. Large band-gap SiC, III-V nitride and II-VI ZnSe based semiconductor device Technologies. Journal of Applied Physics 1994; 76 (3): 1363-1398.
22. Nakamura S., Mukai T., Senoh M. Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-hetero structure blue-light-emitting diodes. Applied Physics Letters 1994; 64(13): 1687-1689.
23. Öztürk MK., Yu H., Sarıkavak B., Korcak S., Özçelik S., Özbay E. Structural analysis of an InGaN/GaN based light emitting diode by X-ray diffraction. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 2010; 21(2): 185-191.
24. Rosa FR., Antonio M., Juan CM. Determination of the origin of the series resistance through electroluminescence measurements of GaAs and AlxGa1-xAs solar cells and LEDs. Solid-State Electronics 1998; 42 (4): 567-571.
25. Schuppen A., Gruhle A., Kibbel H., Erben U., Koing U. SiGe-HBTs with high fT at moderate current densities. Electronics Letters 1994; 30(14): 1187-1188.
26. Siegle H., Eckey L., Hoffmann A., Thomsen C., Meyer BK., Schikora D., Hankeln M., Lischka K. Quantitative determination of hexagonal minority phase in cubic GaN using Raman spectroscopy. Solid State Communications 1995; 96(12): 943-949.
27. Strite S., Morkoç H. GaN, AlN and InN: A review. Journal of Vacuum Science & Technology B 1992; 10 (4): 1237-1266.