[논문 리뷰] Growth, characterization, and thermodynamics of III-nitride semiconductors

Arlinda Hill|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 02.

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한 줄 요약

이 학위논문은 녹색 InGaN 발광다이오드의 도전 과제를 해결하기 위해 정규 용액 모델을 사용하여 InGaN 합금의 열역학적 안정성과 상분리 거동을 조사한다. 온도에 따른 혼합 자유에너지 계산을 통해 이중선과 스핀odal 분리 곡선을 그려내어 안정 및 불안정 영역을 규명함으로써, 금속유기화학기수증기증착 공정 조건을 최적화하여 상분리를 억제하는 데 핵심적인 정보를 제공한다.

ABSTRACT

III-nitride alloys are wide band gap semiconductors with a broad range of applications in optoelectronic devices such as light emitting diodes and laser diodes. Indium gallium nitride light emitting diodes have been successfully produced over the past decade. But the progress of green emission light emitting devices has been limited by the incorporation of indium in the alloy, mainly due to phase separation. This difficulty could be addressed by studying the growth and thermodynamics of these alloys. Knowledge of thermodynamic phase stabilities and of pressure - temperature - composition phase diagrams is important for an understanding of the boundary conditions of a variety of growth techniques. In this dissertation a study of the phase separation of indium gallium nitride is conducted using a regular solution model of the ternary alloy system. Graphs of Gibbs free energy of mixing were produced for a range of temperatures. Binodal and spinodal decomposition curves show the stable and unstable regions of the alloy in equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 효율적인 녹색 InGaN 발광다이오드를 방해하는 열역학적 한계를 이해하기 위해.
• 외향성 성장 중 InGaN 합금에서 상분리가 발생하는 조건을 규명하기 위해.
• 온도 및 조성에 따라 InGaN의 안정 및 불안정 영역을 정의하는 상도를 개발하기 위해.
• 열역학 모델링을 통해 상분리의 경계 조건을 예측하고 성장 공정 최적화를 이끌기 위해.
• 열역학적 분석을 통한 III- nitride 반도체에서 In의 도핑 향상을 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 혼합 거동를 기술하기 위해 InGaN 삼성분계에 정규 용액 모델을 적용하기 위해.
• 온도 및 인듐 조성에 따라 혼합 자유에너지 계산하기 위해.
• 자유에너지의 혼합에서 이중선 및 스핀odal 분리 곡선 유도하여 상 안정성 한계 규명하기 위해.
• 열역학 데이터를 활용하여 InGaN의 압력-온도-조성 상도를 구성하기 위해.
• 다양한 성장 조건에서 상분리 발생 시점을 예측하기 위해 확립된 열역학 원리를 기반으로 모델링하기 위해.
• 실험적 성장 제약 조건을 열역학 모델에 통합하여 실용적 타당성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InGaN 합금이 성장 중에 상분리를 보이는 열역학적 조건은 무엇인가?
• RQ2 온도는 InGaN 고체용액의 안정성과 분리 발생 시점에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 InGaN의 온도-조성 공간에서 이중선 및 스핀odal 곡선은 어디에 위치하는가?
• RQ4 InGaN의 상 안정성 경계를 정의하는 데 중요한 조성 및 온도는 무엇인가?
• RQ5 열역학적 상도는 InGaN의 금속유기화학기수증기증착 공정 최적화에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 정규 용액 모델은 다양한 온도 및 인듐 조성 범위에서 InGaN의 혼합 자유에너지에 대해 성공적으로 예측하였다.
• 이중선 및 스핀odal 분리 곡선이 계산되었으며, 이는 InGaN의 열역학적 안정성 및 불안정성 영역을 명확히 하였다.
• 고인듐 조성 및 저온에서 상분리는 열역학적으로 유리하여 성장 과제를 설명할 수 있었다.
• 모델은 상분리가 에너적으로 유리해지는 임계 온도 이하에서의 임계 온도 임계점을 규명하였다.
• 계산된 상도는 불안정 영역을 피할 수 있도록 성장 조건을 선택하는 데 정량적 지침을 제공하였다.
• 결과는 성장 온도를 스핀odal 곡선 이상으로 유지함으로써 InGaN에서의 상분리를 억제하는 것이 중요하다는 점을 강조하였다.