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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-287417
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.28741
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 30 August 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Josef Zweck |
| Date of exam: | 18 July 2013 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Chair Professor Back > Group Josef Zweck |
| Keywords: | STEM, DPC, QCSE, EFTEM, IMFP, piezoelektrische Polarisation, spontane Polarisation, innere elektrische Felder, Heterostrukturen, Gruppe-III-Nitride, GaN, InGaN, piezoelectric polarization, spontaneous polarization, inner electric fields, heterostructure, group-III-nitrides |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 28741 |
Abstract (German)
Leucht- und Laserdioden (LEDs bzw. LDs) erfahren seit einigen Jahren verstärkte Aufmerksamkeit in der Öffentlichkeit, da sie unter anderem zur energieeffizienten Allgemeinbeleuchtung verwendet werden können. Ermöglicht haben dies maßgeblich Fortschritte auf dem Gebiet der III-V-Halbleiter, im Speziellen der Gruppe-III-Nitride. Diese umfassen die binären Materialien Aluminiumnitrid (AlN), ...
Abstract (German)
Leucht- und Laserdioden (LEDs bzw. LDs) erfahren seit einigen Jahren verstärkte Aufmerksamkeit in der Öffentlichkeit, da sie unter anderem zur energieeffizienten Allgemeinbeleuchtung verwendet werden können. Ermöglicht haben dies maßgeblich Fortschritte auf dem Gebiet der III-V-Halbleiter, im Speziellen der Gruppe-III-Nitride. Diese umfassen die binären Materialien Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN) und ihre ternären und quaternären Verbindungen. Durch geeignetes Wachstum von Heterostrukturen können die Emissionseigenschaften im Prinzip beliebig verändert werden. Durch die Wurtzit-Kristallstruktur, in welcher die Gruppe-III-Nitride unter Normalbedingungen vorliegen, ergeben sich jedoch innere elektrische Felder, welche in Form von spontaner (aufgrund der Kristallsymmetrie) bzw. piezoelektrischer (aufgrund von Verspannung) Polarisation vorliegen. Diese Polarisation entsteht durch Grenzflächenladungen und führt über die Ausbildung eines starken elektrischen Feldes zum Quantum Confined Stark Effect (QCSE), welcher eine Rotverschiebung der Emissionswellenlänge und einen starken Rückgang der Effizienz zur Folge hat.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die inneren elektrischen Felder mit Hilfe eines Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) und der Differentiellen Phasenkontrastmikroskopie (DPC) quantitativ vermessen. Dazu wurde eine Kalibrierung des Versuchsaufbaus und der Messung der lokalen Probendicke durchgeführt. Letzteres ist bei üblichen Dicken im Bereich von 100 nm nur mit in situ Methoden möglich. Eine experimentelle Abschätzung des Durchmessers der Strahlsonde ergab einen Wert von etwa einem Nanometer.
Ein pn-Übergang diente als Prüfstein für die Aussagekraft der quantitativen Messungen. Es konnte dabei die erwartete Bandlücke eines p- (Magnesium-dotiert) und n-GaN (Silizium-dotiert) Übergangs gezeigt werden. Das maximale Feld konnte zu 180 MV/m bestimmt werden.
Um den Effekt verschiedener Flächenladungen auf die Emissionseigenschaften zu bestimmen wurde eine Probenserie vermessen, welche einen drei Nanometer breiten InGaN Quantentrog (QT) in einen quaternären AlInGaN Puffer unterschiedlicher Zusammensetzung einbettet. Da sich die Polarisationskoeffizienten der binären Verbindungen unterscheiden, kann die effektive Flächenladung durch eine geeignete quaternäre Mischung angepasst werden. Es konnte die Reduktion des im Quantentrog vorhandenen Feldes im Verlauf der Probenserie von etwa 22 MV/m auf 0 MV/m gezeigt werden, was durch Photolumineszenzmessungen einer anderen Arbeitsgruppe bestätigt werden konnte. Aus der unbeeinflussten Probe konnte der Effekt des QCSE im Vergleich zur erwarteten Emissionsenergie in Form einer Rotverschiebung des Peaks zu etwa 70 meV abgeschätzt werden.
Um die Feldabhängigkeit von der Trogdicke zu untersuchen, wurde eine Doppelquantentrogstruktur mit je einem 10 und 20 nm dicken Trog vermessen. Aufgrund des sehr ähnlichen Indiumgehalts von 4,0 und 4,5 % ergaben sich an den Grenzflächen Feldänderungen von etwa 20 MV/m. Ein eindeutiger Zusammenhang mit der Trogbreite war nicht zu ermitteln.
An einem Achtfach-Quantentrog konnten schlussendlich Inhomogenitäten bei regelmäßigen Strukturen gezeigt sowie ein Gradient des In-Gehalts innerhalb des QT nachgewiesen werden. Es ergab sich eine Reduktion der Felder bei den ersten beiden substratnahen Trögen. Dieses Ergebnis stützt eine Theorie, wonach Abschirmladungen primär die Flächenladungen dieser Tröge reduzieren.
Translation of the abstract (English)
Light emitting and laser diodes (LEDs and LDs) attract increasing public attention due to their possible use in energy efficient general lighting. This was provided for by advances in the field of III-V-semiconductors, in particular of group-III-nitrides. They involve the binary componds aluminium nitride (AlN), gallium nitride (GaN) and indium nitride (InN) and their ternary and quaternary ...
Translation of the abstract (English)
Light emitting and laser diodes (LEDs and LDs) attract increasing public attention due to their possible use in energy efficient general lighting. This was provided for by advances in the field of III-V-semiconductors, in particular of group-III-nitrides. They involve the binary componds aluminium nitride (AlN), gallium nitride (GaN) and indium nitride (InN) and their ternary and quaternary compounds. The emission properties of heterostructures can in principle be adjusted arbitrarily with an adapted growth process. As a consequence of the crystallographic structure in which the group-iii-nitrides condense under standard conditions inner electric fields arise in the form of spontaneous (due to the crystal symmetry) and piezoelectric (due to strain) polarisation. This polarisation originates from interface charges and causes the quantum confined Stark effect (QCSE) via strong electric fields which leads to a red shift of the emission wavelength and a strong efficiency droop.
Within the scope of this work these inner electric fields were quantitatively analysed using scanning transmission electron microscopy (STEM) and differential phase contrast (DPC) technique. In this context the experimental setup was calibrated and the local specimen thickness was determined in situ. An experimental estimate for the probe diameter resulted in approximately 1 nm.
A pn-junction was used to verify the validity of the quantitative measurements. It was possible to show the expected change in potential of a junction of n- (silicium doped) and p- (magnesium doped) layers. The field peak resulted in 180 MV/m.
A sample series with 3 nm InGaN quantum well (QW) embedded in differently composed quaternary AlInGaN buffer layers was investigated to determine the effect of interface charges on the emission properties. Due to the different polarisation coefficients the effective charge density can be adjusted with a proper material composition. It was possible to show the reduction of the electric filed across the QW for the different samples from 22 MV/m to 0 MV/m. This behaviour could be confirmed by photoluminescence measurements of another group. From the sample without inner field it was possible to extract the effect of the QCSE based on a comparison of the red shift with the expected emission peak position to 70 meV.
A double QW structure with 10 and 20 nm wells was investigated for the dependence of well width and field. Due to similar In contents of 4.0 and 4.5 % field changes at the interfaces yielded about 20 MV/m. There was no clear evidence for effects based on the well width.
It was finally possible to show inhomogeneities and an In-gradient within the QWs in a periodic 8-fold QW structure. The measurements showed a field reduction of the first two wells which are next to the substrate which supports a theory where shield charges from the bulk primarily reduce the interface charges of these wells.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:55
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