Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1646
Main Title: Konzepte zur Erhöhung der Lichtausbeute in Halbleiter-Lichtemittern
Translated Title: Concepts for the improvement of light efficiency in semiconductor light emitters
Author(s): Dworzak, Matthias
Advisor(s): Hoffmann, Axel
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit werden vier Konzepte zur Erh¨ohung der internen Quanteneffizienz am Beispiel der Mischhalbleiter GaInNAs und InGaN untersucht. Die Ergebnisse wurden mittels zum Teil zeit- und ortsaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie und optischer Gewinnspektroskopie erzielt und mit strukturellen und theoretischen Untersuchungen verglichen. Die durch den Einbau von Stickstoff stark reduzierte Lichtausbeute von infrarot emittierenden GaInNAs-Quantenfilmstrukturen kann durch ein thermisches Ausheilen nach dem Wachstum enorm verbessert werden. Dabei ist die geschickte Kombination von Wachtums- und Ausheilprozess entscheidend. Defekte, die als nichtstrahlende Rekombinationszentren wirken, können durch das Ausheilen unter zwei verschiedenen Ausheilatmosphären (Argon oder Wasserstoff) deutlich reduziert werden. Der Einbau zweier Defekttypen unterschiedlichen mikroskopischen Ursprungs führt dazu, dass sich die Lichtausbeute der bei tiefen Temperaturen abgeschiedene QWs ausschließlich durch das Wasserstoffausheilen erhöhen lässt, während für die bei höheren Temperaturen hergestellten QWs das Ausheilen unter Argon effizienter ist. Eine bisher angenommene Bedeutung der Homogenisierung der chemischen Zusammensetzung im QW für die Erhöhung der Lichtausbeute kann erstmals widerlegt werden. Auch für InGaN-Schichten in blau/ultraviolett emittierenden Laserdioden (LD) spielt die Anzahl der Kristalldefekte, insbesondere die Versetzungsdichte, eine entscheidende Rolle für die Lichtausbeute. Im Gegensatz zu InGaN-Leuchtdioden wird diese bei hohen Anregungsdichten in einer InGaN-LD nicht durch Lokalisierungseffekte, sondern durch die Sättigung bzw. Abschirmung der in InGaN reichlich vorhandenen nichtstrahlenden Rekombinationszentren durch angeregte Ladungsträger bestimmt. Daher führt die Verringerung der Versetzungsdichte durch das homoepitakische Wachstum auf hochwertigen GaN-Substraten zu einer deutlich geringeren Laserschwelle. Neben den Lokalisierungseffekten bestimmen interne elektrische Felder die optischen Eigenschaften von InGaN. Diese können durch die Dotierung mit 10^19 cm^−3 Si-Donatoren abgeschirmt werden. Feldfreie InGaN-Schichten zeigen daher keine Blauverschiebung mit zunehmender Anregungsdichte. Der Einsatz von Quantenpunkten (QP) mit dem Ziel, geringere Schwellstromdichten und eine höhere Temperaturstabilität der Lichtausbeute in InGaN-LDs zu erreichen, wird anhand eines InGaN-QP-Ensembles hoher lateraler Dichte (10^11 cm^−2) untersucht. Die Ausnutzung der QP-Eigenschaften wird allerdings durch die geringen Lokalisierungsenergien begrenzt. Die untersuchten 3 bis 5 nm großen InGaN-Fluktuationsinseln verlieren aufgrund ihres geringen Indiumgehalts ihre QP-Eigenschaften bereits bei ca. 130 K. Untersuchungen der Rekombinationsdynamik einzelner InGaN-QPe und deren Simulation mittels der Acht-Band-k·p-Theorie zeigen außerdem, dass sich InGaN-QPe grundsätzlich von anderen QP-Systemen unterscheiden. Die ungeordnete Verteilung der strukturellen QP-Parameter führt zu einer inhomogen verbreiterten Verteilung der exzitonischen Lebensdauern im QP-Ensemble. Mittels eines einfachen statistischen Ansatzes kann deren Verteilungsfunktion aus den experimentellen Ergebnissen bestimmt werden. Dies ermöglicht erstmals eine vollständige Beschreibung der Rekombinationsdynamik in InGaN-QPen.
In this work four concepts are studied how to increase the internal quantum efficiency in the alloy semiconductors GaInNAs and InGaN. The results are obtained by using time-resolved and spatially resolved photoluminescence spectroscopy and by means of optical gain spectroscopy. They were compared to structural and theoretical investigations. The light efficiency of GaInNAs quantum wells (QW) emitting in the infrared is reduced by the incorporation of nitrogen and can be improved by thermal annealing after the growth. The crucial point is an optimized combination of growth and annealing process. The number of defects acting as nonradiative recombination centers is reduced by the annealing under two different atmospheres (argon or hydrogen). The different annealing behavior of the structures grown at low and high temperature, respectively, can be attributed to the growth-induced formation of two competing defects with different microscopic nature. A previously reported correlation between the homogeneity of the chemical composition in the QW and the light efficiency can be disproved. Also for InGaN layers in blue/ultraviolet emitting laser diodes (LD) the number of crystal defects, particularly the dislocation density, plays an important role for the light efficiency. While at low excitation intensities in InGaN light emitting devices the optical properties are governed by localization effects, at high excitation intensities in an InGaN LD the saturation/screening of nonradiative recombination centers by the excited carriers is the major effect. Thus, the reduction of the dislocation density through the homoepitactical growth on high quality GaN substrates leads to a noticeably lower lasing threshold. Beside the localization effects internal electric fields influence the optical properties of InGaN. They can be screened by doping the layers with 10^19 cm^-3 Si. Hence, field-free InGaN layers do not show the typical blue-shift of the emission energy with increasing excitation density. The application of InGaN quantum dots (QD) in order to achieve lower threshold densities and an improved temperature stability of the light efficiency in InGaN LDs is investigated on an InGaN QD ensemble with high lateral density (10^11 cm^-2). The utilization of QD properties is limited by the small localization energy. The investigated 3 - 5 nm large InGaN fluctuation islands loose their QD properties at temperatures above 130 K due to their low indium content. Furthermore, time-resolved investigation of individual QDs and its simulation by means of eight-band k·p theory shows that InGaN QDs differ from other QD systems in their recombination dynamics. The disordered distribution of the QD structural parameters leads to an inhomogeneously broadened distribution of the exciton lifetimes inside the QD ensemble. Applying a simple statistical approach the lifetime distribution function is determined from the experimental results. This allows a self-contained description of the recombination dynamics in InGaN QDs.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16133
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1943
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1646
Exam Date: 3-Jul-2007
Issue Date: 20-Jul-2007
Date Available: 20-Jul-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): GaInNAs
Halbleiter
InGaN
Laserdiode
Leuchtdiode
Lichtausbeute
Quantenfilm
Quantenpunkt
GaInNAs
InGaN
Laser diode
Light efficiency
Light emitting device
Quantum dot
Quantum well
Semiconductor
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Festkörperphysik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_3.pdf19,25 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.