InGaN-结构 MOVPE 中的表面偏析和应力松弛

STREEM-InGaN 是一款专业软件工具，用于模拟 (0001) III 氮化物器件异质结构的特性，该异质结构由传统金属有机前驱体（TMIn、TMGa/TEGa、TMAl）和在 H2/N2 载体气体中稀释的氨通过 MOCVD 技术生长而成。STREEM-InGaN 专注于基于 InGaN 的有源区，这意味着一系列量子阱和势垒以及中间的其他阶段。在有源区之前和之后生长的层也可以添加到模拟中。

该软件旨在通过调整工艺配方来了解和控制结构特性。尤其可以解决以下问题：

• 工艺参数对量子阱铟掺杂的影响；
• 预测异质结构有源区的实际成分分布，包括延迟掺入 QW 的铟和盖层或阻挡层中的铟尾。由于铟的表面偏析，实际成分分布图通常偏离根据每个外延层在相应生长条件下获得的稳态溶液建立的标称成分分布图；
• 通过对铟掺入量和弹性能量的一致计算，用户可以通过修改特定层的工作参数和在量子阱下方添加应变消除层来跟踪和调整有源区的应变分布。实际的成分和应变曲线决定了结构中极化电荷的分布，可在随后使用 SiLENSe 软件进行器件运行建模时加以考虑。
• 根据配方中的特定参数，可以使用 STREEM-InGaN 软件研究通过形成 V 形位错半环实现的应力松弛、穿线位错的湮灭以及应变、穿线位错密度和铟成分分布的演变。

建模的结果是，用户可以分析异质结构的生长速度和成分分布以及应变和位错密度分布等特征。通过调整配方参数，包括温度、压力、前驱体和载气的流速，以及工艺特定阶段的顺序和持续时间，用户可以跟踪上述特性的相应变化，并建立配方与异质结构特性之间的相关性。

Indium content distribution in QW, Segal et al.(*), presented at IWN-2014, August 24-29, Wroclaw, Poland (2014)

例 1：氮化镓铟(InGaN)底层的效果

实验来源：D.M. Van Den Broeck et al., Appl. Phys. Lett. 105 (2014) 031107.目前，在三氮化物 LED 结构的生长过程中，正积极利用 InGaN 底层 (UL) 和 InGaN/GaN 超晶格来平衡异质结构有源区的应变。事实证明，在 MQW 叠层下添加 InGaN 层可提高 MQW 的效率。

本示例考虑的是生长所谓的应变平衡多量子阱（SBMQW）结构，该结构由 10 个 InxGa_1-xN(4nm)/GaN(4nm) 周期组成，生长在 180 nm 厚的 InyGa_1-yN UL 上，x>y。如果阱和势垒的厚度相同，SBMQW 有源区意味着 x=2y。

分别在 y=8% 和 y=11% 的 InyGa_1-yN 底层上生长的 x=16% 和 x=22% 的 InxGa_1-xN/GaN MQW 结构与没有 UL 的传统结构进行了比较。根据建模预测，180 nm 厚的底层会完全松弛（与实验结果一致），这使得随后生长的 10 周期 MQW 结构在整个量子阱中具有大致相同的铟成分分布，并且没有额外的应力松弛。相反，如图 2 (a-b)中不同铟含量结构的有源区所示，预测了无 UL 结构在多个起始 QW 后的应力松弛、有源区中新位错的形成以及后续 QW 中铟含量分布的变化。

结果与 Van Den Broeck et al.的实验数据一致：与 2 周期的传统 MQW 结构相比，10 周期的传统 MQW 结构的聚光发射光谱发生了红移，而比较 2 周期和 10 周期的 SBMQW 结构时，聚光发射光谱没有发生明显的红移。这表明 SBMQW 与 InyGa_1-yN 模板的晶格相匹配，而与生长的周期数无关。

Schematic view of the structure with (a) and without (b) strain balancing underlayer. Appl. Phys.

Lett. 105, 031107 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4890738

Comparison of the composition profiles in the active region of theInxGa_1-xN/GaN MQW

structures grown on GaN and InyGa_1-yN ULs for x=0.16

Comparison of the composition profiles in the active region of the InxGa_1-xN/GaN MQW

structures grown on GaN and  InyGa_1-yN ULs for x=0.22

例 2：在 MQW 结构的势垒中添加Al

 K. Lekhal et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 142101在改善 InGaN/GaN 异质结构发射特性的有效技术之一是在 GaN 势垒中引入拉伸 AlGaN 层，以补偿 InGaN MQW 中的压缩应变。利用这种技术，可以在不降低异质结构质量和提高发射强度的情况下，移动绿色和光谱区域的峰值波长。示例说明了如何利用 STREEM-InGaN 重现这种效果。

Schematic view of the MQW structure, K. Lekhal et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 142101

我们所考虑的结构如上图所示，GaN 和 Al0.2Ga0.8N 在势垒中的厚度汇总于表中。下面列出了 A 样品和 A2 样品生长表面的穿线位错密度的时间变化以及铟的成分分布。

Structural data of the MQWs, K. Lekhal et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 142101

Threading dislocation density and InN molar fraction in the active region for sample A

Threading dislocation density and InN molar fraction in the active region for sample A2

TDD and critical number of QWs vs AlGaN barrier thickness

对于样品 A，建模预测应力松弛和新位错的密集产生，如果没有在势垒中加入 AlGaN，则只能生长出四个无应力松弛的 QW。在势垒中加入 AlGaN（样品 A2）会推迟应力松弛的发生，这是因为 QW 中的压应力被势垒中的拉应力部分补偿。图 7 给出了无应力松弛情况下可生长的穿线位错密度和 QW 临界数量与氮化镓势垒厚度的函数关系。增加 AlGaN 势垒厚度会逐渐抑制错配应力松弛；最终，预计结构 A3 不会出现松弛。这一发现与在氮化铝加入势垒时观察到的集成聚光强度的增加相关。