时间分辨阴极荧光光谱助力InGaN材料的“Green Gap”问题分析

引言

    In_xGa_1-xN（以下简称为InGaN）材料具有0.7 eV~3.5 eV可调的直接带隙能量，被广泛应用于光电子器件领域。其中，利用InGaN制备的蓝光或绿光发光二极管（light emitting diodes，LED）是一项具有广阔前景的应用。然而，该领域的发展也不是一帆风顺，诸多挑战频频出现限制了这项技术的快速崛起。其中之一便是“Green Gap”问题，即室温下器件在绿光波段的发光效率远低于蓝光波段的发光效率。据已有报道显示，蓝光LED的外量子效率峰值可以达到86%，而绿光仅为44%。造成近2倍外量子效率峰值差的原因是目前科学家争论的热点。有科学家表明，绿光发射大都需要在低温生长工艺下制备得到高铟含量材料，这些材料通常会形成许多缺陷，例如位错（螺旋位错、失配）、沟槽缺陷及点缺陷等。缺陷可能会成为非辐射复合中心，或辅助载流子从空间电荷区隧穿到InGaN有源区，并伴随有非辐射复合，进而造成发光效率低下。因此，为了推进绿光发光二极管的发展，需要深入研究缺陷类型对“green gap”的影响，从原子层面揭示相关机制。

成果简介

    针对上述问题，F. C. Massabuau等人利用阴极荧光光谱（cathodoluminescence，CL）、时间分辨阴极荧光光谱（time-resolved cathodoluminescence，TR-CL）及分子动力学模拟手段，研究了铟含量在5%~15%的厚InGaN层中的螺旋位错的光学与结构性质，并对“Green Gap”与InGaN的缺陷之间的关系进行了讨论。实验结果表明，在上述考量成分范围内的样品中，铟原子在位错附近（距位错核纳米范围内）分离。这一现象有助于形成In-N-In链或原子凝聚物，从而可以在位错处局域载流子并且能够抑制非辐射复合。该团队还注意到随着铟含量的增加，位错周围的暗晕成为一重要特征，激起了团队的好奇，并对这一特征的物性进行了深入分析。对于低铟组分样品（x<12%），团队将暗晕归因于V型凹坑平面以下较低组分材料的生长；对于高组分样品（x>12%），暗晕的起源尚未确定，可能是由于V型坑的面上位错束的形成，或是表面电位的变化，亦或是载流子扩散长度的增加。F. C. Massabuau等人相信，上述研究内容对阐明位错在发光二级管中的“Green Gap”问题有*的推进作用。相关工作已经发表在Journal of Applied Physics上，有关原文更多精彩的内容，可参考 Journal of Applied Physics,125,165701,2019。

    在F. C. Massabuau等人的工作中，选用了瑞士Attolight公司生产的Allalin 4207 SEM-CL系统进行时间分辨阴极荧光光谱的测试。该仪器*的光谱分辨率和空间分辨率是揭示InGaN表面缺陷与其发光效率之间关系的关键。更为重要的是，该仪器皮秒级的时间分辨精度为实验揭示InGaN表面缺陷区域载流子的动力学机制提供了强有力地帮助，推进了InGaN制备绿光发光二极管的研究。

    做为世界上时间分辨SEM-CL的制造商，Attolight公司的Allalin 4207 SEM-CL系统主要包含三个模块：激发模块、Attolight SEM-CL模块、探测模块。激发模块的核心是利用定制的三倍频掺铒光纤激光器产生紫外波段脉冲（波长355 nm，5 ps，重复频率80 MHz）。将生成的紫外波段脉冲耦合到SEM-CL系统当中，并以紫外光辐照场发射电子枪，从而获得皮秒级的电子脉冲。Attolight SEM-CL系统将消色差反射透镜（na=0.71）集成到扫描电镜的物镜中，从而使它们的焦平面对准，并有效减少了其他繁冗的对准操作。为了能够在低温下进行稳定而的测试，系统特别集成有冷台，工作温度20K到300K 。其探测系统有两种模式，CL信号经切尔尼特纳型单色仪（Horiba Scientific，iHR 320）衍射后，由Andor Newton 920 CCD相机收集信息。而对于时间分辨测试，则以Optronis SC-10型条纹相机在光子计数模式下进行。该仪器工作模式多种多样，包括光学显微镜成像、阴极荧光测量(多色，单色和高光谱)、二次电子测量、时间分辨阴极荧光(时间分辨选项)和 二次电子和阴极荧光同步等测量。同时，可提供300 μm直径的光学和电子视场，优于10 nm的空间分辨率和10 ps的时间分辨率， 以及多6自由度位移控制。基于上述优势，Allalin 4207 SEM-CL系统在LED性能和可靠性评价，GaN功率晶体管，线位错密度，载流子寿命和动力学，太阳能电池的效率，纳米尺度光电器件等领域大放异彩。是进行各种半导体和光电材料诸如载流子寿命和动力学研究等的工具。

图文导读

图1 InGaN样品的（a）AFM图像；（b）连续波模式CL（含强度信息）图像；（c）连续波模式CL（含峰值波长信息）图像；（d）脉冲模式CL（含强度信息）图像；（e）脉冲模式CL（含峰值波长信息）图像；（f）条纹相机采集的图像信息；（g）由图（f）中抽取的弛豫曲线

图2 波长与（a）弛豫时间及（b）上升时间的依赖关系

图3 室温下样品缺陷的亮点周围区域（a）与亮点区域（b）的弛豫时间与波长关系曲线