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Spontane und stimulierte Emission von (Al, In, Ga)N-Halbleitern Untersuchungen von konventionellen Heterostrukturen und einer neuartigen "feldfreien" Struktur

by Rau, Björn

Abstract (Summary)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischen Untersuchungen von MBE-gewachsenen hexagonalen Gruppe-III-Nitridheterostrukturen. Dafür wird die Photolumineszenz von InGaN/GaN- und GaN/AlGaN-Mehrfachquantengrabenstrukturen umfangreich zeitintegriert und zeitaufgelöst studiert. Die Proben unterscheiden sich in den Dicken der Quantengräben und Barrieren (InGaN) bzw. in der kristallografischen Orientierung (AlGaN). Als Ergebnis der großen, für das Materialsystem charakteristischen, elektrostatischen Felder zeigen die konventionell [0001]-orientierten Heterostrukturen eine verringerte Übergangsenergie und längere Lebensdauern mit zunehmender Quantengrabenbreite und höherem Indiumgehalt in den Gräben. Der beobachtete Einfluss des Quantumconfined Stark-Effektes (QCSE) auf diese Größen kann auch durch Modellrechnungen quantitativ gezeigt werden. In der Arbeit wird erstmals eine umfangreiche optische Charakterisierung einer neuartigen [1-100]-orientierten GaN-Heterostruktur auf Gamma-LiAlO2 geboten. Zum Vergleich wird das Verhalten einer identisch aufgebauten, [0001]-orientierten Struktur auf SiC ebenfalls diskutiert. Die (1-100)-Probe ist in Wachstumsrichtung frei von elektrostatischen Feldern und unterscheidet sich damit deutlich von den herkömmlichen Nitridstrukturen mit [0001]-Orientierung, deren interne Felder im MV/cm-Bereich liegen. Die spektrale Lage der Photolumineszenz bei geringen Anregungsdichten bestätigt die Flachbandsituation in der Probe. Aufgrund des bei dieser Probe nicht auftretenden QCSE ist hier eine deutlich verkürzte Lebensdauer festzustellen. Entsprechend der Auswahlregeln für hexagonales GaN weist die [1-100]-orientierte Probe eine sehr starke Polarisation der Photolumineszenz bezogen auf die Lage der [0001]-Achse auf. Die geringe Abweichung des ermittelten Polarisationsgrades von der, für A-Exzitonen in Volumen-GaN zu erwartenden, totalen Polarisation kann durch das Konfinement in den Quantengräben erklärt werden. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung der Rekombinationsmechanismen der Proben in Abhängigkeit von der induzierten Ladungsträgerdichte. Diese wird in einem Bereich von sehr geringer Dichte bis über die Mottdichte variiert. Eine Abschirmung der elektrostatischen Felder mit zunehmender Ladungsträgerdichte wird festgestellt. Dabei kann bei einer InGaN/GaN-Probe mit 3.1 nm breiten Gräben gezeigt werden, dass neben den internen piezoelektrischen Feldern die in der Literatur diskutierte Lokalisation von Exzitonen an Stöchiometrieschwankungen des Quantengrabens entscheidend die Rekombinationsdynamik in der Probe beeinflusst. Dies spiegelt sich in einer Abhängigkeit der Quantengrabeneigenschaften von den Anfangsbedingungen des Abklingprozesses und damit einem nicht existierenden allgemein gültigen Zusammenhang zwischen der Lebensdauer und der Ladungsträgerdichte wider. Die zeitaufgelösten Lumineszenzspektren der InGaN/GaN-Strukturen zeigen als Folge der mit höheren Ladungsträgerdichten zunehmenden Abschirmung eine verringerte Lebensdauer durch die vergrößerte Überlappung von Elektron- und Lochwellenfunktionen. Aufgrund der wieder abnehmenden Abschirmung während des Rekombinationsprozesses verändert sich die Lebensdauer im Laufe der Zeit. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung der Übergangsenergie des Lumineszenzmaximums durch den weniger abgeschirmten QCSE. Die zeitintegrierten Photolumineszenzspektren zeigen ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit von der Anregungsdichte. Während bei der feldfreien (1-100)-Probe keine Kompensationseffekte erwartet werden, weisen die Resultate für die konventionellen Proben auf einen, die Ladungsträgerdichte wesentlich beeinflussenden Effekt hin. Die Abhängigkeit der Intensität der Photolumineszenz von der Ladungsträgerdichte deutet ab einer bestimmten Anregungsdichte auf einen zusätzlichen Prozess, welcher die Ladungsträgerdichte reduziert, sich aber nicht im Lumineszenzspektrum widerspiegelt. Als Erklärung dafür wird die Absorption von stimulierter Emission im Substrat oder in der Pufferschicht angenommen. Bei den InGaN-Proben schiebt die Übergangsenergie mit höheren Dichten zu größeren Energien und nähert sich bis 10e5 W/cm2 einem Sättigungswert an. Dieser Wert entspricht trotz Dichten oberhalb der Mottdichte noch nicht der Flachbandsituation bei vollständig kompensierten internen Feldern. Als Ursache dafür wird der genannte, bei hohen Ladungsträgerdichten einsetzende Konkurrenzprozess gesehen. Bei den GaN/AlGaN-Proben kann im untersuchten Bereich der Anregungsdichte keine spektrale Verschiebung im Photolumineszenzspektrum festgestellt werden. Zum ersten Mal werden experimentelle Untersuchungen zur stimulierten Emission einer [1-100]-orientierten GaN-Probe durchgeführt und das optische Gewinnspektrum analysiert. Die Messungen zeigen einen maximalen Nettogewinn von ca. 50 1/cm. Aus der rechnerischen Analyse der Modenausbreitung lässt sich dafür ein Materialgewinn für GaN(1-100) von 1.1x10e4 1/cm ableiten. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Rekombination eines Elektron-Loch-Plasmas der Mechanismus für die stimulierte Emission ist. Dies entspricht dem überwiegenden Teil der in der Literatur veröffentlichten Beobachtungen für [0001]-orientierte Nitridstrukturen. Ein direkter Vergleich mit der parallel untersuchten GaN/AlGaN(0001)-Probe ist aufgrund der starken Substratabsorption nicht möglich. Es zeigt sich, dass für [1-100]-orientierte GaN-Heterostrukturen gute Ausgangsbedingungen für die Realisierung von Laserdioden gegeben sind. Zu den untersuchten Heterostrukturen wird die Wellenführung in den Proben simuliert. Bei den auf SiC gewachsenen Schichten werden die sich ausbreitenden Moden wegen des deutlich höheren Brechungsindexes des Substrates vornehmlich dort geführt. Die Überlappung der Moden mit dem aktiven Schichtpaket ist äußerst gering. Es ist für die Proben auf SiC kein optischer Gewinn zu erwarten. Die [1-100]-orientierte GaN/AlGaN-Probe besitzt eine deutlich bessere Wellenführung, da das LiAlO2 einen vergleichsweise kleinen Brechungsindex besitzt. Es wird ein Zusammenhang zwischen experimentell ermitteltem optischen Gewinn und dem Materialgewinn gebildet und das Ergebnis mit Rechnungen aus der Literatur verglichen. Ein Vorschlag für eine optimierte Wellenführung in allen untersuchten Proben wird gegeben.
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Bibliographical Information:

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School:Humboldt-Universität zu Berlin

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:Physik, Astronomie III-V Halbleiter M-Orientierung stimulierte Emission Physik

ISBN:

Date of Publication:02/19/2003

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