Photoluminescence and RamanSpectroscopy on truncated Nano­Pyramids

Physics of low Dimensions, FFF042

Josefin Voigt & Stefano Scaramuzza

10.12.2013, Lund University

1

Introduction

In this project truncated GaN nano pyramids containing one or more InGaN quantum wells areexamined by using photoluminescence (PL) spectroscopy and Raman spectroscopy.InGaN/GaN quantum wells are interesting because depending on the composition of the InGaNor the quantum well width they are able to emit light from the whole visible spectrum. Structureslike nanopyramids containing such quantum wells are quite novel and thus it is interesting tostudy them.

Sample

An illustration and a SEM image of the examined samples is shown in Figure 1. After applying aGaN layer on a Si substrate a SiN mask is deposited on the GaN featuring holes. The GaNgrown is continued on this spots which results in a formation of the truncated pyramids. Thequantum wells are made by depositing a thin layer of InGaN on top of the pyramids and bycovering it again with GaN.   The pyramids have less strain between the InGaN and the GaN compared to pyramids grownon a single flat surface.   The examined samples are presented in Table 1. Sample 249 is a reference samplecontaining no InGaN.

Figure 1: SEM image [4] (left) and Illustration (right) of a truncated nanopyramid.

Table 1: Samples and their properties. TEG and TMI stand for the flow rates in sccm of the precursorstriethylgallium and trimethylindium.

2

Techniques

In photoluminescence spectroscopy a sample is illuminated by a light source of a definedwavelength. The incident light gives enough energy to the electrons to lift them from the valenceband into the conduction band leaving a hole in the valence band. If the electrons occupy ahigher state than the ground state in the conduction band they will relax into the ground stateunder emission of phonons. The same happens with the holes in the valence band. Onceelectrons and holes are in their ground state, they recombine under emission of a photon of acharacteristic energy for the considered material. This way materials and their properties can bestudied.

In Raman spectroscopy a sample is illuminated by a certain wavelength laser where due to theRaman effect a photon is absorbed exciting an electron to a virtual energy level. The subsequentrelaxation of the electron to a different vibrational or rotational state, causes a photon of differentenergy to be emitted. This difference in energy between the original photon and the emittedphoton causes a frequency shift, calculated as   where   is the wavelength of the/λ /λ1 0 − 1 R λ0laser and  is the wavelength of the Raman radiation. These shifts are material specific, sinceλRonly certain modes are allowed for the state after recombinations for electrons, according tocertain selection rules. The shifts can thus be used to decide which materials can be found incertain samples.

Results Photoluminescence Spectroscopy

A PL spectrum has been acquired for each sample. Figure 2 shows the PL spectrum of thereference sample 249 and 278. It has been acquired with a laser of 325 nm wavelength.   According to [2] a narrow peak from the GaN around 3.48 eV and a broader peak from theInGaN quantum well around 3.1 eV is expected. According to [3] the InGaN well peak is expectedto be in the range between 2.9 eV and 3.1 eV.    The GaN signal should stay constant for each sample while the InGaN peak depends ondifferent factors as e.g. the size of the quantum well and is thus expected to slightly varybetween the samples.There are other peaks in the spectrum which might result from other materials (Si substrate) orimpurities in the different materials used in the sample.    The important difference between the presented plots in Figure 2 is the peak in sample 278 at2.95 eV. It is assumed to belong to the InGaN well for different reasons. First it is not visible in thereference sample. Second according to [3] and [4] we should expect it in this energy region.Third it is the only peak varying its position depending on the sample.       Since it is assumed that several peaks in the region 3.0­3.5 eV belong to impurities in theGaN a new laser wavelength of 375 nm is used. The impurity peaks are expected to decreasesince the lasers energy (3.3 eV) is slightly below the GaN bandgap of 3.47 eV ([1]).

3

The obtained result is presented in Figure 3. Again the reference sample 249 and the sample278 are presented. Energies over 3.2 eV are neglected since the laser light could not be filteredbefore it reached the detector and its energy is around 3.3 eV. Thus we would have too muchcontribution around these energies. The spectrum of the reference sample is similarto the one obtained with the previous wavelength. The spectrum of sample 278 although showsthat the peak around 2.95 eV is better defined than with the previous laser.

Figure 2: PL spectrum of sample 249 and 278 acquired with a 325 nm laser.

 Figure 3: PL spectra of sample 249 and 278 acquired with a 375 nm laser.

4

After acquiring the PL spectra with the new wavelength the peak corresponding to the InGaN wellfor each plot is determined.   This information can be further used to estimate the size of the quantum well. Underassumption of different parameters one can plot the energy of the quantum well peak as afunction of the well width L. Since the composition x of the InxGa1­xN is not known thecalculations are made for x=0.2, 0.4, 0.6 and 0.8. The plot is shown in Figure 4.

 Figure 4: PL peak energy of the quantum well in dependence of its thickness for different compositions x.

By comparing the found energies of the PL spectrum with the plot in Figure 4 we can estimatethe size of the quantum well in the pyramids. The results are summarized in Table 2.

 Table 2: PL peak energies of the quantum wells and the resulting estimated quantum well widths.

Assuming an InGaN monolayer thickness of 5 Å we get a thickness of 1­10 monolayers per well.Either high well times or flow rates seem to be required to gain a bigger quantum well, assumingan increase of material leads to more growth. It is possible to be the opposite way as well but itseems unlikely to increase the layer thickness when growing for a longer time.

Another way to determine the composition of the samples is to measure the well sizes usingSEM. When analysing the SEM images the wells appear to be around 2nm­4nm even though theresolution of the SEM images makes it hard to find an exact value. Comparing this well size withfigure 4 we can estimate a composition around In20Ga80N. For a more exact value of thecomposition we would need a more exact value of the sizes of the quantum wells, which couldbe achieved by using TEM.

5

Results Raman Spectroscopy

To correctly calculate the width of the wells from the position of the peaks in the PL spectrum acorrect value of the composition of the InGaN is desirable, as mentioned before. As has beenshown in [6] and [7] this can be obtained by studying the Raman spectrum. Therefore Ramanspectroscopy was performed on the samples.   When using a laser of 632.5 nm the Raman spectra for the samples were as shown in Figure5.

Figure 5: Raman spectra for the different samples, obtained using a 632.5 nm laser.

These peaks of approximately 525 cm­1 and 570 cm­1 correspond well to the expected valuesfound in [8] of peaks from the GaN substrate for cross­sectional insidence. The first peakcorrespond to the A1(LO) vibrational mode and the second peak correspond to the E1(TO) andE2 vibrational modes. It is also possible that Si from the substrate contribute to the peak ataround 525 cm­1, since Si has a TO shift of 521 cm­1 for zincblende structure, which makes upthe substrate.   As can be seen all the spectra are approximately equivalent, even that of sample 249, thisindicates that we do not get a signal from the quantum well since this spectra does not differfrom the others. From [6] we expect a frequency shift in the range of 600 cm­1 to 750 cm­1 for athin film of InGaN, which can not be seen in figure 5.   The reasons for this could be several. One major cause could be that the layer of InGaN isvery thin and when exposing the sample the laser is focused on a very tiny spot, thus exposingvery little of the thin InGaN­layer and more of the surroundings.   To see if the laser was too low in energy or penetrated too deep into the sample to actuallydetect the quantum wells close to the surface, another setup, with a laser of 532 nm, was tried.We did not however see any peaks from quantum wells in this case either.

6

Conclusion

Using PL spectroscopy and the assumption that the composition of the quantum well wasbetween In20Ga80N and In80Ga20N the wells of the samples were estimated to be 0.20 nm ­ 5.60nm, with some differences for the different wells (see table 2). This corresponds to a thicknessof 3­18 monolayers per well. The size of the well seems to be clearly influenced by the well timeand the flow rates of the precursors during growth.   Had we been able to measure the sizes of the quantum wells with a good certainty it wouldhave been possible to determine the composition of the wells. However SEM showed to have tolow resolution to be able to do this and we would have to use TEM.   The sizes of the wells would also have been possible to determine if we had succeeded indetermining the composition using raman spectroscopy. Unfortunately this did not work,probably due to the small amount of material constituting the quantum well not giving enoughsignal.

Sources

[1] John H. Davies, The physics of low­dimensional semiconductors, Cambridge University Press, 1997.

[2] Chul­Woo Lee, Sung­Taek Kim, Ki­Soo Lim, Photoluminescence Studies of GaN and InGaN/GaNQuantum Wells, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 35, No. 3, pp. 280­285, 1999.

[3] M. S. Minsky, S. B. Fleischer, A. C. Abare, J. E. Bowers, E. L. Hu, Characterization of high­qualityInGaN/GaN multiquantum wells with time­resolved photoluminescence, Applied Physics Letters, Vol. 72,No. 9, pp. 1066­1068, 1998.

[4] Ioffe Physico­Technical Institute, Electronic archive: New Semiconductor Materials. Characteristics andProperties, Accessed: 9.10.2013, http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/.

[5] Zhaoxia Bi, Presentation: MQW on truncated GaN pyramids, Lund University, 2013.

[6] Robert Oliva Vidal, Master thesis: Optical emission and Raman scattering in InGaN thin films grown bymolecular beam epitaxy, Raman Spectroscopy Group, ICTJA, CSICLluis Solé i Sabarís, Barcelona

[7] S. Hernández, R. Cuscó, D. Pastor, L. Artúsa, K. P. O’Donnell, R. W. Martin, I. M. Watson, Y. Nanishi,E. Calleja, Raman­scattering study of the InGaN alloy over the whole composition range, Journal of appliedphysics 98, 013511, 2005

[8] Z. C. Feng, W. Wang, S. J. Chua, P. X. Zhang, K. P. J. Williams, G. D. Pitt, Raman scatteringproperties of GaN thin films grown on sapphire under visible and ultraviolet excitation, J. Raman Spectrosc.,32, 840–846, 2001

7