Recombination Dynamics in III-Nitride Quantum Wells of Various Crystal Orientations
The present research focuses on the recombination dynamics in III-nitride quantum wells, which represent the key structures for modern solid state lighting. In particular, the recombination processes in GaInN/GaN quantum wells of various crystal orientations are measured by time-resolved photoluminescence spectroscopy, which allows insight into basic material properties and loss mechanisms. On the one hand, the results emphasize the effects of strain and well width on On the other hand, strain is found to be related to defect-related nonradiative Finally, a reliable determination of the internal quantum efficiency is introduced.
the radiative recombination in quantum wells in nonpolar orientations. Compared to c-plane structures, where the radiative recombination is dominated by the quantum-confined Stark effect, nonpolar quantum wells show significantly increased radiative emission. This can be explained by a combination of the vanishing piezoelectric polarization, an enhanced exciton binding energy, and, beyond that, the anisotropic in-plane strain that leads to higher effective hole masses. Introducing a partially relaxed AlInN buffer layer reduces the impact of strain, but still yields enhanced radiative recombination compared to c-plane structures. Additionally, the radiative emission of nonpolar quantum wells is decreasing significantly for larger well widths, which is related to forbidden dipole transitions in the field-free quantum well. Furthermore, a drastic reduction of the radiative rate is found towards higher temperatures for quantum wells of all orientations, related to the loss of charge carriers into the barriers, or even exciton dissociation.
recombination in semipolar quantum wells. Previously, a similar effect was observed for c-plane quantum wells. By introducing a strain-reducing, partially relaxed AlInN buffer layer, the nonradiative recombination can be reduced significantly, which opens a perspective to overcome the green gap.
Modeling the characteristic temperature dependence of radiative and nonradiative lifetimes over the whole temperature range, a safe indicator for the absence of nonradiative recombination at cryogenic temperatures is developed. Namely, a synchronous rise of the effective and radiative carrier lifetimes with temperature indicates an internal quantum efficiency of 100%. Thereby, the measurement of absolute internal quantum efficiencies becomes possible.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rekombinationsdynamik in Gruppe-III-Nitrid-Quantenfilmen, die das Herzstück jeder modernen Leuchtdiode darstellen. Insbesondere die Rekombinationsprozesse von GaInN/GaN-Quantenfilmen verschiedener Kristallorientierungen werden mithilfe von zeitaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie untersucht, was Einblicke in grundlegende Materialeigenschaften und Verlustprozesse erlaubt. Zunächst verdeutlichen die Ergebnisse den Einfluss von Verzerrung und Quantenfilmdicke auf die strahlende Rekombination in Quantenfilmen in nicht-polarer Kristallorientierung. Verglichen mit c-planaren Strukturen zeigen nicht-polare Quantenfilme eine deutlich erhöhte strahlende Emission. Die Kombination von verschwindendem piezoelektrischem Feld, erhöhter Exzitonen-Bindungsenergie, sowie anisotroper Verzerrung, die zu höheren effektiven Lochmassen führt, erklären diesen Umstand. Durch eine relaxierte AlInN-Pufferschicht wird der Einfluss der Verzerrung zwar verringert, die strahlende Rekombination ist im Vergleich zu c-planaren Strukturen jedoch nach wie vor gesteigert. Des Weiteren nimmt die strahlende Emission von nicht-polaren Quantenfilmen mit zunehmender Quantenfilmdicke signifikant ab, was mit verbotenen Dipolübergängen im feldfreien Quantenfilm zusammenhängt. Darüber hinaus wird für Quantenfilme jeglicher Orientierungen eine Abnahme der strahlenden Rate bei erhöhten Temperaturen beobachtet, die in der Flucht von Ladungsträgern in die Barrieren, oder in Exzitonendissoziation begründet ist. Außerdem hängt die Verzerrung mit der strahlungslosen Rekombination über Defektzustände zusammen, wie in semi-polaren Quantenfilmen beobachtet. Frühere Ergebnisse zeigten einen ähnlichen Effekt für c-planare Quantenfilme. Durch eine verspannungsreduzierende AlInN-Pufferschicht kann die nicht- strahlende Rekombination reduziert werden, was perspektivisch die Überwindung des „green gap“ ermöglicht. Schließlich wird eine verlässliche Methode zur Bestimmung der internen
Quanteneffizienz eingeführt. Indem die Temperaturabhängigkeit von strahlender und strahlungsloser Lebensdauer modelliert wird, kann ein zuverlässiger Indikator für das Fehlen strahlungsloser Prozesse bei kryogenen Temperaturen gefunden werden: Ein synchroner Anstieg von effektiver und strahlender Lebensdauer mit der Temperatur belegt eine interne Quanteneffizienz von 100%. Dies ermöglicht die Messung von absoluten internen Quanteneffizienzen.
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