Lumineszenzdynamik in InGaN/GaN-basierten Mikrosäulen- und Fin-LED-Strukturen

Beschreibung

Leuchtdioden (LEDs), die auf Galliumnitrid (GaN) basieren und Indiumgalliumnitrid-Quantenfilme (InGaN-QWs) enthalten, sind heute ein fester Bestandteil des Beleuchtungsmarktes. Einen Ansatz, die Effizienz von LEDs zu steigern und die Produktionskosten zu senken, stellen dreidimensionale (3D) Kern-Mantel-Strukturen dar. Bei diesen werden die Quantenfilme als Mantel um den Kern aus n-dotiertem GaN aufgewachsen, sodass die InGaN-QWs eine im Verhältnis zum Substrat große Oberfläche haben und zumeist eine unpolare Kristallorientierung aufweisen. Bisher beruhten die Forschungsansätze zu solchen Kern-Mantel-Strukturen hauptsächlich auf Mikrosäulen, zunehmend rücken aber auch sogenannte Fin-Strukturen (Wände) in den Vordergrund. In dieser Arbeit werden die Lumineszenzeigenschaften und insbesondere die Ladungsträgerdynamiken von dreidimensionalen Mikrosäulen- und Fin-Strukturen untersucht und Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse gezogen. Dafür wird die zeitintegrierte und zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie verwendet. Komplementäre Informationen werden mit Hilfe von Kathodolumineszenzspektroskopie gewonnen. Aussagen über die Materialqualität und die Konzentration freier Ladungsträger lassen sich aus Raman-Spektroskopie und Rasterkapazitätsmikroskopie ableiten. Für die Untersuchung der Ladungsträgerdynamiken werden fs-Laserpulse mit einer geringen Wiederholrate verwendet, die Pulsleistungen im Bereich einiger zehn Megawatt aufweisen. Daraus ergeben sich hohe Anregungsdichten, die im Bereich der Zerstörschwelle von GaN liegen. Für das verwendete Titan-Saphir-Lasersystem wird für eine Pulsdauer von 100 fs, einer Wiederholrate von 1 kHz und einer Photonenenergie von 3,81 eV eine Zerstörschwelle von GaN-Schichten von 0,01 J/cm2 ermittelt. Für die Messungen an den LED-Strukturen werden Anregungsdichten nahe der Zerstörschwelle verwendet. Verglichen werden die Ergebnisse der 3D-Strukturen mit den Eigenschaften einer herkömmlichen planaren Struktur. Die größten Unterschiede in den Abklingdynamiken können auf den Einfluss des quantenmechanischen Starkeffekts zurückgeführt werden. Dieser bestimmt die Rekombinationsdynamiken in planaren Proben, die in c-Richtung aufgewachsen wurden, ist bei den Kern-Mantel-Strukturen, deren Quanten- filme eine unpolare Wachstumsrichtung aufweisen, jedoch vernachlässigbar. Dadurch kommt es zu schnelleren Abklingzeiten der InGaN-Lumineszenz in den 3D-Strukturen. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Ladungsträger in den Quantenfilmen der Mikrosäulen- und Fin-Strukturen stärker lokalisiert sind und thermisch aktivierte nichtstrahlende Prozesse eine kleinere Rolle spielen als in den planaren LEDs. Einen weiteren Einfluss auf die Ladungsträgerdynamiken der Quantenfilme haben die umliegenden Schichten. Bei nicht-resonanter Anregung der Proben führen dickere GaN-Deckschichten aufgrund von Diffusionsprozessen zu längeren Abklingdynamiken. Die Lumineszenzeigenschaften der Strukturen werden zusätzlich durch Defekte sowohl in den Mantelschichten als auch in den n-dotierten GaN-Kernen und durch Inhomogenitäten in der Dicke und der Indiumkonzentration der InGaN-Schichten beeinflusst.

Autor*in

Angelina Jaros

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Fin-LED-Struktur Galliumnitrid Halbleitertechnik InGaN Kern-Mantel LED Raman-Spektroskopie Rekombinationsdynamik SCM Zerstörschwelle zeitaufgelöste Photolumineszenz

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