引言
inxga1-xn（以下簡稱為ingan）材料具有0.7 ev~3.5 ev可調(diào)的直接帶隙能量，被廣泛應(yīng)用于光電子器件領(lǐng)域。其中，利用ingan制備的藍光或綠光發(fā)光二極管（light emitting diodes，led）是一項具有廣闊前景的應(yīng)用。然而，該領(lǐng)域的發(fā)展也不是一帆風順，諸多挑戰(zhàn)頻頻出現(xiàn)限制了這項技術(shù)的快速崛起。其中之一便是“green gap”問題，即室溫下器件在綠光波段的發(fā)光效率遠低于藍光波段的發(fā)光效率。據(jù)已有報道顯示，藍光led的外量子效率峰值可以達到86%，而綠光僅為44%。造成近2倍外量子效率峰值差的原因是目前科學家爭論的熱點。有科學家表明，綠光發(fā)射大都需要在低溫生長工藝下制備得到高銦含量材料，這些材料通常會形成許多缺陷，例如位錯（螺旋位錯、失配）、溝槽缺陷及點缺陷等。缺陷可能會成為非輻射復(fù)合中心，或輔助載流子從空間電荷區(qū)隧穿到ingan有源區(qū)，并伴隨有非輻射復(fù)合，進而造成發(fā)光效率低下。因此，為了推進綠光發(fā)光二極管的發(fā)展，需要深入研究缺陷類型對“green gap”的影響，從原子層面揭示相關(guān)機制。
成果簡介
針對上述問題，f. c. massabuau等人利用陰極熒光光譜（cathodoluminescence，cl）、時間分辨陰極熒光光譜（time-resolved cathodoluminescence，tr-cl）及分子動力學模擬手段，研究了銦含量在5%~15%的厚ingan層中的螺旋位錯的光學與結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并對“green gap”與ingan的缺陷之間的關(guān)系進行了討論。實驗結(jié)果表明，在上述考量成分范圍內(nèi)的樣品中，銦原子在位錯附近（距位錯核納米范圍內(nèi)）分離。這一現(xiàn)象有助于形成in-n-in鏈或原子凝聚物，從而可以在位錯處局域載流子并且能夠抑制非輻射復(fù)合。該團隊還注意到隨著銦含量的增加，位錯周圍的暗暈成為一重要特征，激起了團隊的好奇，并對這一特征的物性進行了深入分析。對于低銦組分樣品（x<12%），團隊將暗暈歸因于v型凹坑平面以下較低組分材料的生長；對于高組分樣品（x>12%），暗暈的起源尚未確定，可能是由于v型坑的面上位錯束的形成，或是表面電位的變化，亦或是載流子擴散長度的增加。f. c. massabuau等人相信，上述研究內(nèi)容對闡明位錯在發(fā)光二級管中的“green gap”問題有*的推進作用。相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在journal of applied physics上，有關(guān)原文更多精彩的內(nèi)容，可參考journal of applied physics,125,165701,2019。
在f. c. massabuau等人的工作中，選用了瑞士attolight公司生產(chǎn)的allalin 4207 sem-cl系統(tǒng)進行時間分辨陰極熒光光譜的測試。該儀器*的光譜分辨率和空間分辨率是揭示ingan表面缺陷與其發(fā)光效率之間關(guān)系的關(guān)鍵。更為重要的是，該儀器皮秒級的時間分辨精度為實驗揭示ingan表面缺陷區(qū)域載流子的動力學機制提供了強有力地幫助，推進了ingan制備綠光發(fā)光二極管的研究。
做為世界上時間分辨sem-cl的制造商，attolight公司的allalin 4207 sem-cl系統(tǒng)主要包含三個模塊：激發(fā)模塊、attolight sem-cl模塊、探測模塊。激發(fā)模塊的核心是利用定制的三倍頻摻鉺光纖激光器產(chǎn)生紫外波段脈沖（波長355 nm，5 ps，重復(fù)頻率80 mhz）。將生成的紫外波段脈沖耦合到sem-cl系統(tǒng)當中，并以紫外光輻照場發(fā)射電子槍，從而獲得皮秒級的電子脈沖。attolight sem-cl系統(tǒng)將消色差反射透鏡（na=0.71）集成到掃描電鏡的物鏡中，從而使它們的焦平面對準，并有效減少了其他繁冗的對準操作。為了能夠在低溫下進行穩(wěn)定而的測試，系統(tǒng)特別集成有冷臺，工作溫度20k到300k 。其探測系統(tǒng)有兩種模式，cl信號經(jīng)切爾尼特納型單色儀（horiba scientific，ihr 320）衍射后，由andor newton 920 ccd相機收集信息。而對于時間分辨測試，則以optronis sc-10型條紋相機在光子計數(shù)模式下進行。該儀器工作模式多種多樣，包括光學顯微鏡成像、陰極熒光測量(多色，單色和高光譜)、二次電子測量、時間分辨陰極熒光(時間分辨選項)和 二次電子和陰極熒光同步等測量。同時，可提供300 μm直徑的光學和電子視場，優(yōu)于10 nm的空間分辨率和10 ps的時間分辨率， 以及多6自由度位移控制?；谏鲜鰞?yōu)勢，allalin 4207 sem-cl系統(tǒng)在led性能和可靠性評價，gan功率晶體管，線位錯密度，載流子壽命和動力學，太陽能電池的效率，納米尺度光電器件等領(lǐng)域大放異彩。是進行各種半導(dǎo)體和光電材料諸如載流子壽命和動力學研究等的工具。
圖文導(dǎo)讀
圖1 ingan樣品的（a）afm圖像；（b）連續(xù)波模式cl（含強度信息）圖像；（c）連續(xù)波模式cl（含峰值波長信息）圖像；（d）脈沖模式cl（含強度信息）圖像；（e）脈沖模式cl（含峰值波長信息）圖像；（f）條紋相機采集的圖像信息；（g）由圖（f）中抽取的弛豫曲線
圖2波長與（a）弛豫時間及（b）上升時間的依賴關(guān)系
圖3室溫下樣品缺陷的亮點周圍區(qū)域（a）與亮點區(qū)域（b）的弛豫時間與波長關(guān)系曲線