Charakterisierung von InGaN-basierten Lichtemittern auf semipolaren und nichtpolaren Halbleiteroberflächen

Characterization of InGaN-based light emitters on semipolar and nonpolar semiconductor orientations

  • Das InGaN-Materialsystem bietet aufgrund seiner über einen weiten Bereich einstellbaren Bandlücke die Möglichkeit, Lichtemitter wie Leuchtdioden und Halbleiterlaser mit Emissionswellenlängen im gesamten sichtbaren Spektralbereich herzustellen, wodurch sich vielfältige Anwendungen ergeben. Die beim epitaktischen Wachstum auf der normalerweise verwendeten polaren c-Ebene entstehenden elektrischen Polarisationsfelder reduzieren die Effizienz der Bauelemente, wobei dieser Effekt mit zunehmendem IndiDas InGaN-Materialsystem bietet aufgrund seiner über einen weiten Bereich einstellbaren Bandlücke die Möglichkeit, Lichtemitter wie Leuchtdioden und Halbleiterlaser mit Emissionswellenlängen im gesamten sichtbaren Spektralbereich herzustellen, wodurch sich vielfältige Anwendungen ergeben. Die beim epitaktischen Wachstum auf der normalerweise verwendeten polaren c-Ebene entstehenden elektrischen Polarisationsfelder reduzieren die Effizienz der Bauelemente, wobei dieser Effekt mit zunehmendem Indiumgehalt und somit mit zunehmender Wellenlänge größer wird. Um die Felder zu reduzieren, wurden in dieser Arbeit Proben untersucht, die auf gegenüber der c-Ebene verkippten, so genannten nichtpolaren und semipolaren Ebenen, gewachsen wurden. Da dabei die Symmetrie des Halbleiterkristalls reduziert wird, ergeben sich eine Reihe neuer technologischer Herausforderungen und physikalischer Effekte, deren Untersuchung Gegenstand der Arbeit waren. In dieser Arbeit wurden die charakteristischen Eigenschaften von nichtpolaren und semipolaren Lichtemittern basierend auf InGaN-Quantenfilmstrukturen untersucht. Dabei wurden verschiedene Aspekte betrachtet, die für die Optimierung und Realisierung von effizienten Bauelementen wie Leuchtdioden und Halbleiterlasern von großem Interesse sind. Prozessierungsverfahren für die Herstellung von Lichtemittern auf sehr kleinen Substraten wurden entwickelt, wobei Verfahren zum Waferhandling optimiert wurden. Verfahren zur Herstellung ohmscher Metall-Halbleiterkontakte wurden entwickelt und der Einfluss von Metall, Oberflächenbehandlung, Kristallorientierung und thermischer Formierung wurden analysiert. Kontaktwiderstände im Bereich von 10^-4 Ohmcm^2 bei Stromdichten von 10 kA/cm^2 wurden demonstriert. Der Unterschied im Kontaktwiderstand von rund einer Größenordnung zwischen Kontakten auf semipolarem und c-plane p-GaN ist auf die bei semipolaren Ebenen erhöhte Rauigkeit und die veränderte Bindungskonfiguration zurückzuführen. Diese führen zu einer vereinfachten Oxidation und einer Erhöhung der Schottkybarriere durch Fermi-pinning. Der Einfluss des Neigungswinkels der Laserspiegel auf die Reflektivität wurde analysiert und es wurden Verfahren entwickelt, um steile und glatte Laserspiegel herzustellen. Durch laserunterstütztes Spalten können sehr glatte Laserfacetten bei Lasern mit Resonatoren in polaren und nichtpolaren Richtungen erzeugt werden. Semipolare Ebenen werden schräg oder mehrstufig gespalten. Durch trockenchemisches Plasmaätzen können Laserspiegel für semipolare c'-Resonatoren mit hoher Qualität erstellt werden, wobei der Druck und die Spannung beim Ätzen von großer Wichtigkeit sind. Durch nasschemisches Nachätzen in KOH kann die verbleibende Neigung der Spiegel weiter reduziert werden. Mit Hilfe des fokussierten Ionenstrahlätzens (FIB) sind senkrechte und sehr glatte Laserfacetten in jeder beliebigen Richtung realisierbar. Leuchtdioden im ultravioletten, violetten, blauen und grünen Spektralbereich sowie optisch pumpbare Laserstrukturen im Wellenlängenbereich von 380 bis 470 nm wurden auf polaren, semipolaren und nichtpolaren Ebenen realisiert. Der Einfluss der Kristallorientierung auf LED- und Laserparameter wurde analysiert. Die Wellenleitung in Lasern wurde durch Simulationen und Experimente optimiert und semipolare Laser mit einem symmetrischen In0,04Ga0,96N-Wellenleiter von 2 x 70 nm Dicke und mit GaN-Mantelschichten zeigen viel versprechende Laserschwellen und stellen einen guten Kompromiss zwischen Confinement und Verspannung dar. Bei der Verwendung semipolarer Ebenen kommt es durch anisotrope Verspannung zur Ausbildung von Valenzsubbändern, die teilweise oder vollständig polarisierte strahlende Übergänge ermöglichen. In Lasern erzeugt die Doppelbrechung der III-Nitrid-Wurtzitstruktur optische Eigenmoden, durch die der Gewinn abhängig von der Ausrichtung des Laserresonators ist. Im c'-Resonator gibt es TE- oder TM-Moden, während im Resonator senkrecht dazu ordentliche (o) oder außerordentliche (eo) Moden existieren. Der Gewinn in c'-Richtung ist in der TE-Mode durch Übergänge in das A-Subband maximal, während die TM-Mode durch Kopplung an das kaum besetzte C-Band wenig Gewinn zeigt. Die eo- und o-Mode koppeln an das B- und C-Subband, wobei die eo-Mode auf der (11-22)-Ebene durch den Winkelversatz zwischen Subbandorbitalen und Eigenmoden den höheren Gewinn zeigt. Durch spannungsabhängige Transmissionsspektroskopie wurden die Polarisationsfelder in InGaN-Quantenfilmen bestimmt. In (0001)-GaN mit 15% Indium im Quantenfilm beträgt das Feld -1,1 MVcm^-1. Für semipolare Strukturen auf verschiedenen Orientierung ist das Feld größer als -3 kVcm^-1, wobei eine Feldumkehr aufgrund des eingebauten Potentials des pn-Übergangs nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte.show moreshow less
  • The InGaN material system has attracted strong interest in the past decade since it may enable the realization of light emitting devices covering the whole visible spectrum. This makes InGaN-based light emitters ideally suitable for numerous applications: Energy-efficient LED-based lighting systems can replace incandescent light bulbs, while with the use of red, green and blue laser diodes portable video projection systems can be realized. In the past there has been strong interest on this topicThe InGaN material system has attracted strong interest in the past decade since it may enable the realization of light emitting devices covering the whole visible spectrum. This makes InGaN-based light emitters ideally suitable for numerous applications: Energy-efficient LED-based lighting systems can replace incandescent light bulbs, while with the use of red, green and blue laser diodes portable video projection systems can be realized. In the past there has been strong interest on this topic and many groups have demonstrated progress both in efficiency and achievable wavelength. Most devices however are grown on the polar c-plane which leads to the presence of strong polarization fields in quantum well structures. The fields reduce the device efficiency and their strength increases with increasing emission wavelength, making the realization of long wavelength emitters difficult. In order to reduce or eliminate these fields light emitters on so called semipolar or nonpolar crystal orientations have been investigated. The use of these crystal planes leads to new technological challenges and causes additional physical effects due to the reduction of the crystal symmetry. In this work the optoelectronic properties of nonpolar and semipolar light emitters based on InGaN quantum well structures have been studied and important technological aspects for the realization of highly efficient devices such as LEDs and lasers have been addressed. Firstly, processing schemes have been developed that allow to handle very small wafers for the production of semiconductor devices. In addition, methods for the realization of ohmic metal-semiconductor contacts have been developed and the influence of the metal, surface treatment, crystal orientation and thermal formation on the contacts has been analyzed. Low contact resistances of 10-4 Ohmcm^2 at current densities of 10 kA/cm^-2 on p-GaN have been achieved. The differing resistance of contacts on semipolar and polar p-GaN is attributed to the large surface roughness of semipolar samples and the differing binding configuration, leading to simplified oxidation and an increase of the Schottky barrier height due to Fermi pinning. The influence of the tilt angle of laser mirrors onto their reflectivity has been analyzed and methods for the fabrication of vertical and smooth mirrors have been developed. Laser assisted cleaving and breaking generates smooth facets for resonators in polar and nonpolar directions, while semipolar planes cleave tilted or with multiple steps. Using plasma etching techniques, high quality facets of semipolar c'-resonators can be realized. Wet chemical treatment with KOH of the dry etched facets further reduces the remaining tilt of the mirrors. Using focussed ion beam etching (FIB) vertical and smooth laser facets can be realized regardless of the crystal orientation. Light emitting diodes in the ultra violet, violet, blue and green spectral range as well as optically pumped lasers in the wavelength range from 380 to 470 nm have been realized on polar, semipolar and nonpolar crystal planes. The influence of the crystal orientation onto LED- and laser parameters have been analyzed. The wave guiding in laser structures has been optimized using simulations and experiments. Lasers on semipolar (20-21)-GaN with symmetric In0.04Ga0.96N waveguides and GaN-claddings show promising laser thresholds and are a good compromise between optical confinement and mechanical strain. In semipolar quantum well structures the anisotropic strain causes valence subbands that allow partially or completely polarized radiative transitions. Since the birefringence of the III-nitride wurtzite crystal generates optical Eigenmodes in lasers, the gain depends on the orientation of the laser resonator. In the c'-direction the laser has TE- and TM-modes, while in the resonator perpendicular to the c-axis the modes are of ordinary (o) or extraordinary (eo) type. In the c'-resonator the gain in TE-mode is maximum through coupling to the A-subband. The TM mode couples to the poorly populated C-band and hence its gain is almost zero. The eo- and o-mode both couple to the B- and C-subband. Due to the angle between Eigenmodes and subband orbitals the eo-mode-gain is stronger than the o-mode-gain on the (11-22) plane. Finally, the polarization fields in InGaN quantum wells have been determined by voltage dependent transmission spectroscopy. In InGaN quantum films with 15% indium on (0001) GaN the field strength is -1.1 MVcm^-1. The field in semipolar (10-11) and (20-21) orientations was found to be larger than -3 kVcm^-1. A field reversal is probable but could not be determined due to the interference of the built-in-potential of the pn-junction.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jens Christian Raß
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-35625
Advisor:Prof. Dr. Michael Kneissl
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/06/11
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/05/04
Release Date:2012/06/11
Tag:Galliumnitrid; LED; Laser; Semipolar; nichtpolar
LED; gallium nitride; laser; nonpolar; semipolar
Institutes:Institut für Festkörperphysik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)