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Dissertation

Autor(en): Björn Rau
Titel: Spontane und stimulierte Emission von (Al, In, Ga)N-Halbleitern – Untersuchungen von konventionellen Heterostrukturen und einer neuartigen "feldfreien" Struktur
Gutachter: Frank Fink; Fritz Henneberger; Klaus H. Plog
Erscheinungsdatum: 19.02.2003
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10019126)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Photolumineszenz, Heterostrukturen, GaN, III-V Halbleiter, Quantum-confined Stark Effect, M-Orientierung, stimulierte Emission, Wellenführung
Schlagwörter (eng): heterostructures, GaN, III-V semiconductors, Quantum-confined Stark Effect, m-plane, photoluminescence, stimulated emission, waveguiding
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Zitationshinweis: Rau, Björn: Spontane und stimulierte Emission von (Al, In, Ga)N-Halbleitern – Untersuchungen von konventionellen Heterostrukturen und einer neuartigen "feldfreien" Struktur; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 19.02.2003, urn:nbn:de:kobv:11-10019126
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Abstract (ger):
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.
Abstract (eng):
In this thesis, the optical properties of molecular beam epitaxy grown hexagonal group-III nitride heterostructures are studied. The photoluminescence (PL) characteristics of InGaN/GaN and GaN/AlGAN multiple quantum well structures are investigated by time-integrated and time-resolved measurements. The analyzed specimens differ in the width of the quantum wells and barriers (InGaN) and in the crystallographic orientation (AlGaN), respectively. As a result of the large characteristic electrostatic fields, conventional [0001]-oriented heterostructures show a reduced transistion energy and longer lifetimes with increasing well width and higher Indium content in the wells. The observed impact of the Quantum Confined Stark Effect (QCSE) on these quantities is quantitatively shown in model calculations. In this work, a first extensive optical characterization of a novel [1-100]-oriented GaN heterostructure grown on Gamma-LiAlO2 is presented. For comparison, an identically designed [0001]-oriented structure on SiC is discussed. The (1-100)-grown specimen is free of electrostatic fields along the growth direction and shows a significant different behavior than conventional [0001]-oriented nitrides with internal fields of several MV/cm. The existing flat band conditions are confirmed by the spectral position of the PL at low excitation densities. Due to the non-existing QCSE at this specimen an significantly reduced lifetime is observed. A strong polarization of the PL is observed for the [1-100]-oriented sample, following the selection rules for hexagonal GaN. The small deviation of the degree of polarization from unity, which is expected in bulk GaN, is attributed to the quantum confinement in the heterostructures. One main topic of this thesis is the analysis of the recombination mechanisms of the specimens depending on the induced carrier density. The carrier density is varied from very low upto densities above the mott density. A screening of the electrostatic fields is observed with increasing carrier density. It is shown, that an InGaN/GaN heterostructure with a well width of 3.1 nm not only is influenced by internal piezoelectric fields but also the localization of excitons at stoichiometric inhomogenities in the quantum well is playing an important role for the recombination dynamics of the structure. This can be seen in the dependence of the decay process on the starting conditions. No general correlation is existing between lifetime and carrier density. Time-resolved PL measurements on InGaN/GaN heterostructures show a reduced lifetime due to an increased overlap of the electron and hole wave functions as a result of the increased screening at increasing carrier densities. During the recombination process the screening decreases again and the lifetime is changed with time. Simultaneously the transistion energy of the PL maximum is reduced by the less screened QCSE. A distinct dependence of the time-integrated PL spectra on the excitation density was also found. While there are no compensation effects expected at the (1-100) structure, which is free of electrostatic fields, the results for the conventional specimens point to an effect which influences the carrier density essentially. The dependence of the PL intensity on the carrier density points to an additional process, which comes into play at a special excitation density. This process reduces the carrier density but is invisible in the PL spectra. As an explanation we assume, that light of stimulated emission is absorbed either in the substrate or in the buffer layer. The transistion energy of the InGaN structures increases with increasing excitation density and reaches a saturation energy at a density of 10e5 W/cm2. Although this density is larger than the mott density, the transistion energy is not equivalent with a transition energy at flat band conditions. The origin of the observed effect is assumed to be the rival process, mentioned above, which comes into play at high carrier densities. For the GaN/AlGaN heterostructures no spectral shift of the PL was observed within the variation of excitation density. For the very first time, the stimulated emission of an [1-100]-oriented GaN structure was analyzed. A maximum netto gain of 50 1/cm was observed. From calculations of the mode propagation, a material gain of 1.1x10e4 1/cm is derived for GaN(1-100). Additionally from the results follows that the recombination of an electron-hole-plasma is the mechanism of the stimulated emission. This is in accordance with most of the published observations for [0001]-oriented GaN heterostructures. A direct comparison of both, the [1-100]-oriented specimen and the GaN/AlGaN(0001) structure, which was investigated parallel, was not possible. The reason for that is the strong absorption of the SiC substrate of the latter mentioned structure. It is generally shown, that [1-100]-oriented GaN heterostructures offers good starting conditions to realize laser diodes. The wave guiding was simulated for all of the used specimens. At structures grown on SiC the propagating modes are mainly guided in the substrate due to the larger refractive index of SiC with respect to GaN. The overlap of the amplified mode and the active layer is very small. No optical gain is expected for these structures. The [1-100]-oriented GaN/AlGaN structure shows a significantly improved wave guiding, due to the small refractive index of LiAlO2 in comparison with GaN. A correlation between the experimentally observed optical gain and the material gain is formed and the results are compared with the literature. A suggestion for an optimized wave guiding in all investigated specimens is given.
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Generiert am 28.08.2014, 05:19:41