Structural properties and optical studies of two-dimensional electron gas in Al0.55Ga0.45/GaN heterostructures with low-temperature AlN interlayer

We have investigated the characteristics of $Al_{0.55}Ga_{0.45}N$/GaN heterostructures with and without low-temperature (LT) AlN interlayer grown by metalorganic chemical vapor deposition. The structural and optical properties were systematically studied by Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), X-ray diffraction (XRD), optical microscopy (OMS), scanning electron microscopy (SEM), and photoluminescence (PL). The Al content (x) of 55% and the structural properties of $Al_xGa_{1-x}N$/GaN heterostructures were investigated by using RBS and XRD, respectively. We carried out OMS and SEM experiments and obtained a decrease of the crack network in $Al_{0.55}Ga_{0.45}N$ layer with LT-AlN interlayer. A two-dimensional electron gas (2DEG)-related PL peak located at ${\sim}3.437eV$ was observed at 10 K for $Al_{0.55}Ga_{0.45}N$/GaN with LT-AlN interlayer. The 2DEG-related emission intensity gradually decreased with increasing temperature and disappeared at temperatures around 100 K. In addition, with increasing the excitation power above 3.0 mW, two 2DEG-related PL peaks were observed at ${\sim}3.411$ and ${\sim}3.437eV$. The observed lower-energy and higher-energy side 2DEG peaks were attributed to the transitions from the sub-band level and the Fermi energy level of 2DEG at the AlGaN/LT-AlN/GaN heterointerface, respectively.

저온 성장 AlN 층이 삽입된 Al0.55Ga0.45N/AlN/GaN 이종접합 구조의 구조적 특성 및 이차원 전자가스의 광학적 특성

저온에서 성장된 AlN (LT-AlN)층이 삽입된 $Al_xGa_{1-x}N/LT$-AlN/GaN 이종접합 구조를 금속유기 화학기상 증착법 (metal-organic chemical vapor deposition)을 사용하여 사파이어 기판 위에 제작하였다. Rutherford backscattering spectroscopy 실험을 통하여 $Al_xGa_{1-x}N$층의 Al의 조성비 x가 55% 임을 확인하였고, X-선 역격자 공간 mapping을 통하여 층간 변형력을 조사하였다. LT-AlN층의 삽입 여하에 따른 $Al_{0.55}Ga_{0.45}N$ 층의 깨짐 현상을 광학현미경과 주사전자현미경을 통하여 조사하였는데, LT-AlN 층이 삽입된 시료의 경우에 깨짐 현상이 현저히 줄어든 $Al_{0.55}Ga_{0.45}N$ 층을 얻을 수 있었다. 뿐만 아니라 LT-AlN 층이 삽입된 $Al_{0.55}Ga_{0.45}N$/LT-AlN/GaN 이종접합 구조에 대하여 이차원 전자가스 (two-dimensional electron gas, 2DEG) 관련된 photoluminescence (PL) 신호를 관찰하였다. 이 시료에 대하여 온도 변화에 따른 PL 실험을 수행하여 100 K 근방까지 2DEG 관련된 PL 신호를 관찰하였다. 여기광 세기에 따른 PL 실험을 통하여 ~3.411 eV에서 나타난 2DEG PL 신호와 함께 ${\sim}3.437eV$에서도 PL 신호가 관측되었는데, 이는 AlGaN/LT-AlN/GaN 계면에 형성된 2DEG 버금띠와 Fermi 에너지 준위에서의 재결합 특성으로 각각 해석되었다.