We investigated the annealing effects on In0.53 Ga0.47As/In0.52Al0.48As multi quantum wells using RTA, and following optical, structural and compositional properties.
In this research, We used GaAs(100) substrate with metamorphic buffer layer to maintain the quantum wells lattice parameter and InP(100) substrate which was same lattice parameter of it. It was grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE), annealed from $650^\circ C$ to $800^\circ C$ per $50^\circ C$ for 30 sec and additionally $900^\circ C$ using Rapid Thermal Annealing (RTA). For Analyzing of thermal effects, we investigated Photoluminescence for optical analysis and, using Atomic Force Microscopy (AFM), High Resolution XRD (HRXRD), Auger Electron Spectroscopy (AES), and High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), observed structural feature and change.
All of samples showed blue shift with increasing annealing temperature. In GaAs(100) case, blue shift was 49.8 meV and InP(100) case was 4 meV. Especially, PL intensity was higher in GaAs(100) cases than InP(100) cases. Surface morphology observed by AFM showed few nm size hole and hillock which was created by residual $As_2$ gas and related with removing of top $SiO_2$ capping layer. HRXRD showed that multi quantum wells on GaAs(100) had residual stress which transformed its lattice parameter about 2%, but others on InP(100) were not. This residual stress much effect on multi quantum wells properties, such as well roughness, band gap, intermixing process, etc. In HRTEM images showed that multi quantum wells on GaAs(100) had rough boundaries. As annealing process was progressed, multi quantum wells are mainly unevenly degraded and intermixed between quantum well and barrier. Although degradation was main phenomenon, we could know that the degradation was not simply degradation, because, when it was annealed at $700^\circ C$, it showed the very clear boundaries. On the contrary, multi quantum wells on InP(100) had much little residual stress, and showed very clear boundaries with each annealed cases. As annealing process was progressed, multi quantum wells are mainly unevenly degraded and intermixed between quantum well and barrier. Although degradation was main phenomenon, we could know that the degradation was not simple degradation, because, when it was annealed at $650^\circ C$, it showed the very clear boundaries. At 800℃ and higher temperature, quantum well boundary distinction was very hard, because that contrast between quantum well and barrier was diminished. On the contrary, multi quantum wells on InP(100) had much little residual stress, and showed very clear boundaries with each annealed cases. As annealing process progressed, multi quantum wells were uniformly intermixed. At very high temperature, GaAs(100) cases and InP(100) cases showed similar degradation aspects. Another specific aspect was that degradation started from first top layer observed by AES and TEM. Related with Pl results, peak broadening and shift were well explained by intermixing features in TEM. Moreover, defects generated in high temperature were supposed to effect on PL peak degradation. In capping layer which covered multi quantum wells, defects on (111) were observed at $750^\circ C$ on GaAs(100), but those did not show its distribution homogeneity and boundaries between capping layers are hard to divide but InP(100) cases were not.
$In_{0.53}Ga_{0.47}As/In_{0.52}Al_{0.48}As$ 다층 양자 우물 구조에 RTA (Rapid Thermal Annealing)을 이용해 열처리를 한 후, 그에 따른 광학적 구조적 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는, 다층 양자 우물 구조를 형성 시키기 위하여 GaAs(100) 기판과 InP(100) 기판을 사용하였다. GaAs(100) 기판에 성장시킬 경우에는 양자 우물 구조와 격자 상수를 맞추기 위하여 완충 층을 사용하였다. 그리고 두 경우 모두 분자 선 에피택시 방법으로 성장시켰다. 그리고 열처리를 하기 위해 최 상층에 $SiO_2$ 층을 100nm정도 쌓아 $650^\circ C$ 에서부터 $800^\circ C$ 까지 $50^\circ C$ 단위로 30초간 열처리를 하였으며 추가적으로 $900^\circ C$ 에서 열처리를 수행하였다. 분석을 위해서는 광학적 특성 측정을 위해 Photoluminescence를 측정하였고, 그 밖에 표면, 조성, 구조 변화의 측정을 위해 AFM (Atomic Force Microscopy), HRXRD (High Resolution XRD), AES (Auger Electron Spectroscopy) 그리고 HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy)을 이용하였다.
열처리를 한 모든 시편의 경우 PL 상에서 단파장으로 이동하는 경향을 보였다. 그리고 그 크기는 GaAs (100)에 성장 시킨 경우 49.8 meV 이고 InP (100)에 성장시킨 경우는 4 meV였다. 그리고 피크의 크기 도 GaAs(100)에 성장시킨 경우 더 컸다. 그리고 높은 온도에서 열처리 시에 피크가 넓어지는 경향도 보였다. 이는 열처리를 통하여 양자 우물 내에 조성적 변화와 양자 우물과 베리어 사이의 경계에 변화가 생겼다는 것을 의미한다.
AFM으로 관찰한 표면의 모습은 수 나노 정도의 매우 작은 홀과 힐락 들이 있었다. 이것은 $As_2$ 잔여 가스가 밖으로 확산해 나가는 과정에서 생겨난 것으로 보고 있으며 또한 열처리 후 $SiO_2$ 층을 제거 하는 과정에서 최 상층의 InGaAs 층에 침투 하였던 $O_2$ 의 제거에 의해 생긴 것으로 추정된다. 그리고 이러한 모습은 열처리한 시편의 경우 두드러지게 나타났다.
HRXRD에서는 GaAs(100)의 경우 2%의 격자 변형을 유발시키는 잔여 응력이 발견되었으며 InP(100)의 경우는 이렇다 할 응력은 없었다. 이러한 잔여 응력은 양자 우물구조의 경계 굴곡, 밴드 갭, 그리고 확산에 의한 섞임 등에 영향을 미친다. 고분해능 투과전자현미경 상에서 GaAs(100)에 성장시킨 시편의 경우 이러한 모습을 잘 나타내어 주었다. 자세히 말하면 GaAs(100)에 올린 경우, 특별한 모습을 보이는 이유는 그 구조 자체에 기인한다. GaAs(100)에서 성장시켰을 경우에 완충 층의 다양한 조성으로 이루어져 각기 다른 열팽창 계수를 가지고 있다. 따라서 열처리 과정을 진행함에 따라 이들 값의 차가 응력을 유발했다고 볼 수 있다.
TEM 상에서, 열처리가 진행 됨에 따라 무너지는 양자 우물의 경계는 상당히 불규칙적으로 변해갔다. 그러나 이것은 단순히 불규칙 적인 것은 아니었다. 곧바로 성장 시킨 시편의 양자 우물구조에서부터 그 경계가 약간 거칠었으나 700℃의 열처리 경우 상당히 매끈해진 경계를 볼 수가 있었다. 그리고 800℃ 에 가서야 상당히 불규칙적으로 혹은 구별하기 힘든 모습으로 변해갔다. 그러나 InP(001)에 성장시킨 경우는 이와는 다르게 별다른 모습을 구별 할 수가 없었다. 이는 완충 층이 요구 되지 않기 때문에 잔여 응력의 발생 정도가 적었던 것과 관련이 있다고 여겨진다. 또한 베리어와 양자 우물이 섞이는 과정도 상당히 매끈한 경계의 모습을 보여준다. 그리고 아주 높은 온도에서는 GaAs(100)에 성장시킨 것이나 InP(100)에서 성장시킨 것이나 거의 비슷한 모습을 보여 줄 것이라 예상하였다. 다른 특별한 측면은 초기 Ga의 확산이 다층 양자 우물 구조의 맨 위 층 에서부터 시작된다는 것이다. 이는 AES에서도 관찰 되었다. 이 현상은 열처리 과정 중에 쌓아 올린 $SiO_2$ 층에서 발생한 다량의 공공 들에 의해 Ga이 이동되고 이에 따라 양자 우물 구조의 조성적 변화를 유발하여 최종적으로 밴드 갭의 간격을 변화시킨다는 IFVD (Impurity Free Vacancy Diffusion) 이론과 잘 맞아 떨어진다. 그리고 매우 높은 열처리의 경우 (900℃) 완충 층을 가로질러 [002] 방향으로 생성된 전위에 의해 양자 우물 구조가 무너진 모습도 관찰 됨으로써, 양자 우물 구조가 단순히 확산에 의해 변하는 것이 아니라 결함의 영향을 무시 할 수 없는 범위가 존재 한다는 것을 보여주었다. 양자 우물 구조를 덮고 있는 최상층 에서는 별다른 모습을 보이지 않다가, 750℃열처리를 한 경우에 (111)위에 존재하는 결함들 GaAs(100)에 성장 시킨 경우에 다수 관찰 되었다. 그리고 최상층의 InGaAs 층의 경계 변화를 통해서 IFVD의 발생 여부를 다시 한번 확인 할 수 있었다.
