(Al,Ga,In)N-Pufferschichten für effiziente Quantenfilm-Strukturen verschiedener Kristallorientierungen

Horenburg, Philipp

doi:10.24355/dbbs.084-202012181318-0

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(Al,Ga,In)N-Pufferschichten für effiziente Quantenfilm-Strukturen verschiedener Kristallorientierungen

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Im Fokus dieser Arbeit stehen Pufferschichten der Gruppe-III-Nitride, die hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die strukturellen und optischen Eigenschaften effizienter, langwelliger Lichtemitter untersucht wurden. Diese Pufferschichten bilden die unmittelbare Wachstumsunterlage für die darauf abgeschiedenen optisch aktiven Quantenfilme (QWs). Somit haben sie einen entscheidenden Einfluss auf die strukturellen Parameter der QWs sowie auf die Rekombinationsdynamik und die Wellenlänge und die Polarisation des emittierten Lichts.

Eingangs wurden c-planare GaInN/GaN-SQW-Strukturen untersucht, die auf Tieftemperatur-Pufferschichten verschiedener Dicke und Komposition abgeschieden wurden. In zeitaufgelösten PL-Messungen wurde ein Anstieg der effektiven Raumtemperatur-Lebensdauer mit zunehmender Dicke der Pufferschicht nachgewiesen, was eine reduzierte nichtstrahlende Rekombinationsrate signalisiert. Abweichend von der Fachliteratur wurde dieses Verhalten auch für Pufferschichten ohne In beobachtet. Weiterhin wurde untersucht, ob beim Wachstum der Pufferschicht angebotener H eine mögliche Rolle bei der Entstehung nichtstrahlender Rekombinationszentren spielt.

Weiterhin wurde die Zusammensetzung von m-planarem AlInN auf mikroskopischer Skala untersucht. Mittels TEM wurde ein verzögerter In-Einbau zu Wachstumsbeginn nachgewiesen. Weiterhin wurde im Gegensatz zu Berichten aus der Fachliteratur der parasitäre Einbau von Ga in das AlInN ausgeschlossen. Mittels einer quantitativen Beschreibung auf der Basis von EDX- und XRD-Messungen ließ sich ableiten, dass die kompositionelle Dynamik zu Wachstumsbeginn unabhängig von der Kristallorientierung ist. Das Verhalten kann vielmehr mit dem unterschiedlichen Inkorporations- und Desorptionsverhalten der atomaren Spezies an der Wachstumsoberfläche erklärt werden.

Weiterhin wurden semi- und nichtpolare MQW-Strukturen auf metamorphen AlInN-Pufferschichten untersucht. Hier zeigten XRD-Messungen, dass sowohl der Verspannungszustand, als auch die Effizienz des In-Einbaus in die GaInN-QWs mittels der Pufferschichten gezielt manipuliert werden können. PL-Untersuchungen zeigten, dass der Verspannungszustand auch die Valenzbandstruktur der QWs sowie den Polarisationsgrad des emittierten Lichts beeinflusst. Untersuchungen an (11-22)-orientierten Strukturen zeigten, dass metamorphes AlInN hier eine Absenkung der Verspannungsenergie in den QWs bewirkt, während der In-Einbau nahezu unverändert bleibt. Zeitaufgelöste PL-Messungen zeigten eine Erhöhung der nichtstrahlenden Lebensdauer in den metamorphen Strukturen, was auf eine reduzierte Erzeugung verspannungsinduzierter Defekte hinweist. Schließlich wurde mittels quantitativer Betrachtungen gezeigt, dass der Verspannungszustand als zusätzlicher Parameter beim Wachstum In-reicher QWs aufzufassen ist.

The objective of this research is the investigation of buffer layers in group-III-nitride based heterostructures with regards to their effects on structural and optical properties in efficient, long-wavelength light emitters. As these buffer layers represent the growth template for the optically active quantum well (QW) structures grown on top, their impact is crucial: they not only influence the integrity, the composition and the strain state of the QWs, but also affect the dynamics of carrier recombination as well as the wavelength and polarization of the emitted light.

First, c-plane GaInN/GaN SQW structures grown on low temperature buffer layers of various thicknesses and compositions have been studied. Time-resolved PL measurements revealed an increase of the effective carrier lifetime at room temperature with increasing buffer layer thickness, indicating a decrease in the nonradiative recombination rate. In contrast to reports from the literature, this behavior was also observed in buffer layers containing no In atoms. In a next step, a possible role of H supplied during the buffer layer growth in the generation of nonradiative recombination centers has been investigated.

Further, the composition of m-plane AlInN has been studied on a microscopic scale. Using transmission electron microscopy, the delayed incorporation of In into the AlInN layer has been demonstrated, revealing that the composition stabilizes only after several atomic layer have been deposited. Contrary to reports from the literature, parasitic incorporation of Ga into the AlInN could be excluded. Using a quantitative description based on EDX and XRD measurements, it has been concluded that the compositional dynamics in the early stage of growth is independent of the crystal orientation. Rather, the observed effects can be attributed to the differences in desorption and incorporation of the involved atomic species on the growth surface.

Further, semi- and nonpolar MQW structures grown on one-dimensionally lattice-matched metamorphic AlInN buffer layers have been studied. XRD measurements revealed that AlInN buffer layers enable a deliberate manipulation of both the strain state and the In incorporation efficiency into the GaInN QWs. PL spectroscopy revealed that manipulation of the strain state allows for a modification of the valence band structure of the QWs and the degree of polarization of the emitted light. XRD analyses on semipolar structures showed that metamorphic AlInN layers grown in the (11-22) orientation mainly reduce the strain energy density in the quantum wells, barely affecting the In incorporation. Time-resolved PL data demonstrated that the reduced strain leads to increased nonradiative lifetimes, indicating a reduced generation of strain-induced defects. Finally, quantitative considerations showed that the strain can be interpreted as an additional parameter in growth of In-rich QWs.