Lumineszenzdynamik in InGaN/GaN-basierten Mikrosäulen- und Fin-LED-Strukturen
Seiten
2021
|
1. Aufl.
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-96729-096-7 (ISBN)
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-96729-096-7 (ISBN)
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Nowadays gallium-nitride-based (GaN) light-emitting diodes (LEDs) with indium gallium nitride (InGaN) quantum wells are an integral part of the lighting market. One approach to increase the efficiency of LEDs and to reduce the production costs are three-dimensional (3D) core-shell structures. The quantum wells are grown as a shell around the n-doped GaN cores resulting in a large surface area in relation to the substrate and a mostly non-polar crystal orientation. So far, the focus of attention lay on core-shell microrod structures, but so-called fin structures (walls) are of increasing interest.
In this thesis, the luminescence properties and in particular the charge carrier dynamics of three-dimensional microrod and fin structures are investigated and conclusions are drawn about the underlying physical processes on the basis of time-integrated and time-resolved photoluminescence spectroscopy. Complementary information is obtained by means of cathodoluminescence spectroscopy. The material quality and concentration of free charge carriers are examined with Raman spectroscopy and scanning capacitance microscopy.
For the investigation of the charge carrier dynamics, fs laser pulses with a low repetition rate are used, which have pulse powers in the range of several tens of megawatts. This leads to high fluences close to the damage threshold of GaN. For the utilized titanium- sapphire laser system a damage threshold for GaN layers of 0,01 J/cm2 is determined for a pulse duration of 100 fs, a repetition rate of 1 kHz and a photon energy of 3,81 eV. Excitation densities close to the damage threshold are used for the measurements on the LED structures.
The results of the 3D structures are compared with the properties of a conventional planar structure. The greatest differences in the decay dynamics can be traced back to the influence of the quantum-confined Stark effect. This effect determines the recombination dynamics in planar samples grown in the polar c-direction but is negligible in the core- shell structures whose quantum wells exhibit a non-polar growth direction. This leads to faster decay times of the InGaN luminescence in the 3D structures. Furthermore, charge carriers are more strongly localized in the quantum wells of the microrod and fin structures as compared to the planar LEDs and thermally activated non-radiative processes play a minor role. An additional influence on the charge carrier dynamics of the quantum wells can be assigned to the surrounding layers. In the case of non-resonant excitation of the samples, thicker GaN capping layers lead to longer decay dynamics due to diffusion processes. The luminescence properties of the structures are additionally influenced by defects both in the shell layers and in the n-doped GaN cores and also by inhomogeneities in the thickness and indium concentration of the InGaN layers. 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.
In this thesis, the luminescence properties and in particular the charge carrier dynamics of three-dimensional microrod and fin structures are investigated and conclusions are drawn about the underlying physical processes on the basis of time-integrated and time-resolved photoluminescence spectroscopy. Complementary information is obtained by means of cathodoluminescence spectroscopy. The material quality and concentration of free charge carriers are examined with Raman spectroscopy and scanning capacitance microscopy.
For the investigation of the charge carrier dynamics, fs laser pulses with a low repetition rate are used, which have pulse powers in the range of several tens of megawatts. This leads to high fluences close to the damage threshold of GaN. For the utilized titanium- sapphire laser system a damage threshold for GaN layers of 0,01 J/cm2 is determined for a pulse duration of 100 fs, a repetition rate of 1 kHz and a photon energy of 3,81 eV. Excitation densities close to the damage threshold are used for the measurements on the LED structures.
The results of the 3D structures are compared with the properties of a conventional planar structure. The greatest differences in the decay dynamics can be traced back to the influence of the quantum-confined Stark effect. This effect determines the recombination dynamics in planar samples grown in the polar c-direction but is negligible in the core- shell structures whose quantum wells exhibit a non-polar growth direction. This leads to faster decay times of the InGaN luminescence in the 3D structures. Furthermore, charge carriers are more strongly localized in the quantum wells of the microrod and fin structures as compared to the planar LEDs and thermally activated non-radiative processes play a minor role. An additional influence on the charge carrier dynamics of the quantum wells can be assigned to the surrounding layers. In the case of non-resonant excitation of the samples, thicker GaN capping layers lead to longer decay dynamics due to diffusion processes. The luminescence properties of the structures are additionally influenced by defects both in the shell layers and in the n-doped GaN cores and also by inhomogeneities in the thickness and indium concentration of the InGaN layers. 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.
| Erscheinungsdatum | 18.09.2021 |
|---|---|
| Verlagsort | Berlin |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Themenwelt | Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik |
| Schlagworte | Fin-LED-Struktur • Galliumnitrid • Halbleitertechnik • InGaN • Kern-Mantel • LED • Raman-Spektroskopie • Rekombinationsdynamik • SCM • zeitaufgelöste Photolumineszenz • Zerstörschwelle |
| ISBN-10 | 3-96729-096-4 / 3967290964 |
| ISBN-13 | 978-3-96729-096-7 / 9783967290967 |
| Zustand | Neuware |
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