The group Ⅲ-Nitrides of InN, AlN, and GaN are applicable for various application due to its superior properties, such as high temperature stability, radiance resistance, optical, mechanical, and chemical properties. These days, InN and GaN are the key materials for blue LED and the research for the application of photovoltaic devices is in progress. The determination of true band gap of InN (0.65eV) makes these possibilities and the full spectrum solar cell can realize. However, there are many challenges to be overcome in InGaN technologies such as growth of high quality single crystalline InGaN and p-type InGaN even in high In-content InGaN. When we try to grow high In-content InGaN, phase separation phenomenon could be occurred. The large differences in lattice parameter between GaN and InN (~10%), in the covalent radius of Ga(1.26?) and In(1.44?), and in the formation enthalpy between GaN (-156 ± 16.0kJ/mol) and InN (-28.6 ± 9.2kJ/mol) generate the large miscibility gap in the phase diagram of GaN and InN. Thus, the structural quality of high In-content InGaN severely degrades due to the phase separation and inhomogeneity of solid solution. Even if phase separation doesn’t occur, composition modulation can be occurred due to the spinodal decomposition. If the degree of composition modulation is small, the effect of this phenomenon is not so severe for device performance. However, if not, carrier mobility is hindered because of phase boundaries and piezoelectric field induced by strain inhomogeneities. Thus the high quality single phase InGaN without phase separation should be grown.
In this paper, the composition modulation phenomenon in high-In content InGaN grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) was investigated. The indium compositions in the InGaN were determined by XRD using the Vegard’s law. Reflection high electron energy diffraction (RHEED), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and scanning TEM (STEM) were used to detect the phase separation. The In metal and InN related phase didn’t be detected in RHEED, XRD, and diffraction pattern (DP) even in high-In content InGaN films. However, satellite reflections in XRD and tweed like fringes in TEM images were observed in the InGaN with indium composition more than 47%. The high angle annular dark field (HAADF) - STEM image and energy dispersive spectroscopy (EDS) measurement confirmed that tweed like fringes are related to composition modulation. Fringes had a delayed onset from near the buffer layer interface about 100nm in In0.67Ga0.33N. Fringes are distributed mainly on c-planes and on planes inclined to the c-axis, and its arrangement was change slightly in places where defects such as IDB, exists.
The effect of Ⅴ/Ⅲ ratio to the composition modulation was investigated. Intensity of satellite reflection in XRD and TEM images used to detect the composition modulation. The tendency of composition modulation phenomenon has been decreased as nitrogen plasma flow rate increased because of reduced surface mobility of adatoms.
GaN, InN, AlN의 Ⅲ-질화물 반도체는 고온 안정성, 방사선 저항 능력, 광학적, 기계적, 화학적 특성이 우수하여 다양하게 응용되고 있다. 그 중 GaN과 InN은 LED의 핵심재료이며, 태양전지로의 응용이 연구되고 있다. InN의 밴드갭이 0.65라는 사실이 밝혀지면서, 모든 파장의 태양 에너지를 흡수 할 수 있는 태양전지의 응용이 가능하게 되었다. 하지만 InGaN을 이용하기 위하여 해결되어야 할 문제점들이 많은데, 상분리 현상이 일어나지 않고 p-type특성을 나타내는 In조성이 높은 InGaN이 성장되어야 한다. GaN과 InN의 큰 격자상수 차이(~10%), Ga(1.26?)와 In(1.44?)의 공유반경 차이, GaN (-156±16.0kJ/mol)과 InN (-28.6±9.2kJ/mol)의 형성엔탈피 차이에 의하여 상태도의 용액간극이 형성된다. 그러므로 In조성이 높은 InGaN박막은 상분리현상에 의해 구조적 특성이 나빠지게 된다. InN, In, multiphase InGaN으로의 상분리가 일어나지 않는다 하더라도, spinodal decomposition에 의하여 조성변동이 일어날 수 있다. 이들 변동이 일어난 정도가 적다면 소자 특성에 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 그렇지 않으면, 상경계에서 캐리어의 이동이 억제되거나, strain에 의해 유도된 piezoelectric field에 의하여 캐리어의 이동도가 감소하게 되어 소자에 나쁜 영향을 미치게 된다. 그러므로 상분리 현상이 일어나지 않는 단결정의 InGaN박막이 형성되어야 한다.
본 연구에서는, plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE)로 성장된 In조성이 높은 InGaN박막의 조성변동 현상에 대하여 조사하였다. InGaN박막내의 In의 조성은 Vegard’s law를 적용하여 X-ray diffraction (XRD)를 이용하여 구하였으며, reflection high electron energy diffraction (RHEED), XRD, transmission electron microscopy (TEM), scanning TEM (STEM)을 이용하여 상분리 여부를 확인하였다. In조성이 높은 InGaN박막에서, RHEED, XRD, diffraction pattern (DP)를 통한 분석에서 In metal, InN, multiphase InGaN과 관련된 상분리 현상을 발견되지 않았다. 하지만 In조성이 47%이상인 InGaN박막에 대해서 XRD에서 추가 회절이 발생하였으며, TEM 이미지에서 줄무늬 형상이 나타났다. High angle annular dark field (HAADF) - STEM 이미지와 energy dispersive spectroscopy (EDS) 측정을 통하여 줄무늬가 규칙적인 조성 변동임을 알 수 있었다. 조성변동은 버퍼층과의 계면에서부터 생성되지 않고 약 100nm정도 떨어진 위치에서 발생하였으며, 거의 대부분 0001 면에서 발생하였다.
이런 조성변동에 대하여 V/III의 비가 미치는 영향에 대하여 조사하였다. XRD에서 조성변동에 의한 추가 회절과 TEM 이미지를 통하여 조성변동이 어떻게 변하였는지 알아보았다. 질소 플라즈마의 비율이 증가하면, 조성변동은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 표면에서의 원자들의 이동도가 질소 플라즈마의 증가에 따라 감소하기 때문에 이러한 경향을 보이는 것으로 나타났다.
