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Main Title: Optical analysis of InN and InGaN nanostructures
Translated Title: Optische Analyse von InN und InGaN-Nanostrukturen
Author(s): Ries, Maximilian Daniel Cedric
Advisor(s): Esser, Norbert
Kanngießer, Birgit
Referee(s): Esser, Norbert
Kanngießer, Birgit
Eickhoff, Martin
Granting Institution: Technische UniversitĂ€t Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12847
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11647
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: Nanostructures of group-III-V materials, such as quantum wells (QWs) or nanowires (NWs), are widely deployed in modern solid-state technology. The applicability of the III-nitride system originates in the direct fundamental bandgap covering the whole visible range and expanding even into the near-infrared and the ultraviolet (UV). Lighting applications based on these materials exhibit extraordinary efficiency over most emission wavelengths. However, the green spectral region is governed by an efficiency drop. Miscibility problems leading to strong compositional fluctuations and disorder, combined with a large quantum-confined Stark effect, are the main problems in devices relying on InGaN QWs. NWs can potentially solve some of these problems, but the technology requires further advancement. The nanoscopic dimensions necessitate experimental techniques able to resolve subwavelength features. This work investigates InN surfaces and InGaN single quantum well (SQW) samples to explore the reason for the occurrence of the additional modes in tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS). A connection with charge carrier accumulations close to the surface is found. Multi-wavelength Raman spectroscopic (RS) studies are employed to resolve the interrelationship between charge carriers and vibrational states. The observation of a similar near-field effect in InGaN SQW samples suggests the existence of locally degenerate regions. Supported by 𝒌 · 𝒑-calculations, photoluminescence (PL), and UV-RS, as well as transmission electron microscopy (TEM) with nano-cathodoluminescence, the sensitivity of the SQW towards compositional and thickness fluctuations, defects, strain, and surface distance is analyzed and highlighted. The interplay between structural and optical properties in InGaN nanostructures is continued with the characterization of self-assembled InGaN-GaN NWs. The origin of the emission redshift observed in the room temperature PL is examined in PL series dependent on temperature, intensity, and polarization. Calculations of the surface band bending emphasize a bulk carrier concentration beyond 10Âč⁞ cm⁻³ to enable a Stark effect comparable to the observed redshift. A negative depolarization ratio, UV-RS, and TEM results demonstrate the presence of structural disorder associated with InGaN and the spontaneous formation of inclusions during the growth.
III-Nitrid-Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantenfilme (QW) oder NanodrĂ€hte (NW) sind Standardmaterialien in der modernen Halbleitertechnologie. Der Erfolg beruht auf ihrer mit der Komposition durchstimmbaren direkten BandlĂŒcke, die vom nah-infraroten bis in den ultravioletten (UV) Bereich reicht. Allerdings sinkt bei Anwendungen mit InGaN QWs die Quanteneffizienz sowohl fĂŒr lĂ€ngere WellenlĂ€ngen als auch fĂŒr höhere Betriebsströme. Zunehmende lokale InhomogenitĂ€ten und der “quantum-confined Stark-effect” (QCSE) fĂŒhren zu Effizienzeinbußen. InGaN NWs können einige der Probleme zumindest teilweise beheben, allerdings ist diese Technologie noch nicht so weit etabliert wie die Quantenfilme. Die nanoskopischen GrĂ¶ĂŸenordnungen verlangen nach speziellen Techniken, um Eigenschaften im Sub-WellenlĂ€ngenbereich aufzulösen. In dieser Arbeit werden InN OberflĂ€chen und InGaN Einfachquantenfilmproben (SQW) untersucht, um die Ursachen fĂŒr neue, zusĂ€tzliche Vibrationsmoden in spitzenverstĂ€rkter Raman-Spektroskopie zu ergrĂŒnden. Eine Verbindung zu LadungstrĂ€gerakkumulationen nahe der OberflĂ€che wird hergestellt und mithilfe einer Multi-WellenlĂ€ngen-Raman-Untersuchung die Interaktion mit den Schwingungseigenschaften analysiert. Die Beobachtung einer Ă€hnlichen Wechselwirkung bei InGaN-SQWs lĂ€sst auf lokal entartete Regionen an der OberflĂ€che schließen. Diese Vermutung wird durch 𝒌 · 𝒑 - Rechnungen, Photolumineszenz- (PL) und UV-Raman-Spektroskopie, sowie Nano-Kathodolumineszenz (STEM-CL) gestĂŒtzt und verdeutlicht die SensitivitĂ€t von SQWs in Bezug auf Komposition, Schichtdickenfluktuation, Defekte, Verspannungen und dem Abstand zur OberflĂ€che. Der Zusammenhang zwischen Struktur und optischen Eigenschaften wird mit der Analyse von InGaN-GaN NWs weiter untersucht. Die Ursache fĂŒr die Rotverschiebung der Raumtemperatur-Lumineszenz wird in PL-Studien in AbhĂ€ngigkeit der Temperatur, AnregungsintensitĂ€t und Polarisation geprĂŒft. Berechnungen der Bandverbiegung zeigen, dass eine VolumenladungstrĂ€gerdichte von mehr als 10Âč⁞ cm⁻³ vorhanden sein muss, um einen Stark-Effekt von der GrĂ¶ĂŸenordnung der Rotverschiebung zu erzeugen. Ein negatives DepolarisationsverhĂ€ltnis zusammen mit UV-Raman-Spektroskopie sowie TEM Bildern weisen auf die Existenz von Unordnung hin, die mit der InhomogenitĂ€t von InGaN und der spontanen Bildung von EinschlĂŒssen zusammenhĂ€ngt.
Subject(s): InN
nanowire
InGaN
semiconductor
TERS
Nanodraht
Halbleiter
Issue Date: 2021
Date Available: 13-Apr-2021
Exam Date: 26-Jan-2021
Language Code: en
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und UltraviolettphĂ€nomene
539 Moderne Physik
Sponsor/Funder: DFG, 43659573, SFB 787: Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente
TU Affiliation(s): Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Inst. Festkörperphysik » AG Halbleiter Nanophononik und Nanophotonik
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