gan基纳米结构阵列的光致发光映射

自20世纪90年代初以来，半导体GaN及其相关化合物InN和AlN在半导体材料和器件领域占据了突出地位。宽带隙半导体GaN的p型掺杂成功为开发高效、坚固和持久的蓝色发光二极管和激光二极管(led和ld)开辟了道路。对社会的影响是巨大的，导致实现了超高密度光学数据存储(405nm波长LD的蓝光光盘)，最引人注目的是“发明了高效的蓝色发光二极管，使明亮和节能的白光源成为可能”(2014年诺贝尔物理学奖)。

氮化镓纳米结构阵列

纳米柱(NCs)的生长是一种众所周知的方法，也被广泛研究为固态照明的潜在候选。不同的方面(极性，非极性和半极性)发生在gan基纳米柱中，取决于纳米柱的极性。与外延层相比，通过生长条件控制面可以提供更大的自由度。特别是，密集规则排列的ga极性纳米柱可以作为半极性{1-10n} facet的模板，用于生长InGaN/GaN多量子阱，而不受沿极性方向存在的强极化场的影响。后者在InGaN/ GaN量子阱活性区引起电子和空穴的空间分离，这种空间分离随着铟含量的增加而增加。这种效应不利于在更长的波长范围内(绿色led和led)开发高效的光学发射器。

分子束外延(MBE)选择性面积生长(SAG)是生长有序氮化镓基纳米碳管的一种可能选择，具有高度的控制性。在插入到MBE生长室之前，在GaN(0001)/蓝宝石模板上沉积的薄mo层(10- 20nm厚度)通过电子束光刻和随后的干蚀刻制图。图案区域由六角形排列的圆形孔组成。几个规则场(80 x 80 μ m²)，孔径直径在50 nm到500 nm之间，孔径间距在0.25 μ m到8 μ m之间，并在衬底的中心区域进行图案设计。这样，MBE的生长在相同的温度和碰撞通量条件下进行，并且可以将选择性面积的生长机制作为孔径阵列布局的函数进行研究。图1为本组获得的GaN纳米柱选择性面积生长的代表性图像。

图1 -不同NC直径和孔径的SAG GaN纳米柱(样品G1225和G1253)的鸟瞰扫描电子显微镜(SEM)显微图。在右边，典型的金字塔尖端形态的鸟瞰图和顶视图SEM显微图，这对应于半极性GaN表面。(Arne Urban, UGOE论文2013)。

Micro-photoluminescence设置

微光致发光(µ-PL)测量是表征单个纳米线和数控阵列的光学发射特性的通用工具。使用Andor Shamrock 303i-A光谱仪和Andor Newton DU920P-EX2-DD CCD探测器实现了共聚焦µ-PL设置。由于GaN/InGaN的发射范围从紫外到整个可见光谱，因此选择了一种带有扩展范围双减反射涂层的背光深损耗探测器(BEX2-DD)。该模型表现出宽带的高量子效率，并且只有很少的元化。

完整设置的示意图如图2所示。发射325 nm的HeCd激光被二向色镜反射，并通过Thorlabs LMU-20X-NUV 20x显微镜物镜聚焦到样品上，数值孔径为NA=0.4。样品安装在Oxford Microstat HiRes2氦流低温恒温器内，提供从3.2 K到500k的精确温度控制。采用两个Thorlabs LNR50S/M线性平移台，由步进电机驱动，实现二维扫描。这使得光致发光图的测量方便。从样品发出的发光被同一显微镜物镜收集并成像到20µm共聚焦针孔上。从那里，信号最终耦合到配备牛顿920 CCD探测器的三叶草303i光谱仪。

图2 -用于UV-VIS光谱范围内温度相关测量的灵活且经济的µ- pl设置示意图

CCD芯片可以通过帕尔蒂尔冷却级用空气冷却至-80ºC。通过对Newton相机进行额外的水冷却，冷却可以降低到大约-100ºC，这将进一步提高信噪比，并允许更长的集成时间。此外，样品被成像到第二个CCD上使用两个分束器和一个白色LED照明。该设置使用Micro-Manager开源显微镜软件(µManager)进行操作，该软件通过Andor提供的插件支持三叶草光谱仪，以及采用Thorlabs扫描阶段。

结果与讨论

GaN数控阵列的典型微光致发光映射如图3所示。集成PL强度图显示在左侧面板中。在六角形二维排列上，直径为500nm和间距为4µm的单个nc的位置被清楚地识别出来。总体PL强度揭示了NC集合内的不均匀性。单个GaN NCs的µ-PL光谱以3.458 eV (358.6 nm)的主要近带边发射(NBE)为特征(图3，右图)。然而，在更高波长下额外发射的存在指向缺陷的存在，特别是基面堆叠故障(BSFs)，可以在MBE生长的GaN NC阵列中诱导，如我们的工作[A。Urban et al.， Nano Lett. 15, pp. 5105-5109(2015)。在361 nm和380 nm范围内发现了BSF发射。

图3 - GaN数控阵列的低温微光致发光映射(左)。两个有和没有明显缺陷发射的nc的代表性PL光谱-最有可能是由于基面堆叠错误的存在(右)。

总之，我们设计了一种在UV-VIS光谱范围内进行温度依赖性测量的µ-PL装置，并将其用于通过分子束外延生长的GaN纳米柱阵列的研究。

参考文献

J. Malindretos, C. Hilbrunner, A. Rizzi, IV.物理研究所，Festkörper and Nanostrukturen, Georg-August-Universität Göttingen，德国(2019年4月)