Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3628
Main Title: Metallorganische Gasphasenepitaxie von semipolaren III-Nitrid Heterostrukturen und Lichtemittern
Translated Title: MOVPE growth of semipolar group III-nitride heterostructures and light emitters
Author(s): Ploch, Simon
Advisor(s): Kneissl, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Wachstums von Heterostrukturen auf semipolaren III-Nitrid-Oberflächenorientierungen. Diese sollen als Alternative zu (0001)-orientierten Substraten, für die Realisierung violetter, blauer und grüner Lichtemitter (LEDs und Laserdioden), dienen. In Kapitel 1 wurden die wichtigsten Herausforderungen, die mit (0001)-orientierten Lichtemittern verbunden sind, dargestellt. In Kapitel 2 wurden Methoden zur Herstellungs und Untersuchung semipolarer III-Nitride vorgestellt. In Kapitel 3 wurden die Ergebnisse zum Wachstum von semipolarem GaN auf (10-10)-Saphirsubstraten dargestellt: Aufgrund der geringsten Gitterfehlanpassung wird die (10-13)-GaN-Orientierung bevorzugt. Bedingt durch die Epitaxiebeziehung zum Substrat bilden sich Zwillingskristallite aus, welche zu einer rauen Oberfläche führen. Unter Verwendung der Tieftemperaturnukleation ist die Herstellung glatter (10-13)-GaN-Schichten mit einer Versetzungsdichte von 2•E9/cm² möglich. Durch Nitridierung des (10-10)-Saphirs ist das Wachstum von (11-22)-GaN möglich. Die glatteste Schicht weist eine rms-Rauigkeit von 15 nm auf, die niedrigste Versetzungsdichte beträgt 3•E10/cm². Durch Wachstum auf AlN-Pufferschichten ist eine Reduktion der Versetzungsdichte auf ca. 5•E9/cm² möglich. Sowohl die (11-22)- als auch die (10-13)-GaN-Schichten sind Ga-Polar. Auf den (11-22)-GaN-Schichten gewachsene InGaN-Quantentopfstrukturen, mit Emissionswellenlänge zwischen 390nm und 505nm, weisen eine erhöhte spektrale Breite der Lichtemission, im Vergleich zu Quantentöpfen auf (0001)-GaN/Saphir- und (11-22)-GaN-Substraten, auf. Das Wachstum von GaN auf (11-22)- und (20-21)-GaN-Substraten wurde in Kapitel 4 beschrieben. Diese Schichten sollen als Alternative zu (0001)-GaN für die Herstellung von Laserdioden dienen. Sowohl die (11-22)- als auch die (20-21)-GaN-Oberflächen weisen Undulationen auf. Auf (11-22)-GaN nehmen die Undulationsperioden mit steigender Wachstumstemperatur zu, einige von ihnen folgen einem Arrheniusverhalten. Dieser Umstand legt nahe, dass die anisotrope Adatom-Oberflächendiffusion Einfluss auf die Oberflächenmorphologie nimmt. Als Resultat weisen die Oberflächen pfeilähnliche Strukturen auf. Auf (20-21)-GaN verlaufen die Undulationen entlang [10-1-4]. Sie werden bereits auf dem Substrat beobachtet. Die Ursache liegt in der hohen Stabilität von (10-11)- und (10-10)- Mikrofacetten. Ihre Verlängerung führt zu einer reduzierten Anzahl von Stufen und gleichzeitig zu einer Erhöhung der Undulationsperiode. Die glattesten Schichten konnten bei einem Reaktordruck von 50hPa und einer Temperatur von 950°C hergestellt werden, ihre rms-Rauigkeit beträgt 0,3nm. Höhere Wachstumstemperaturen oder Reaktordrücke führen zu einem Bunching der Undulationen und zu einer erhöhten Rauigkeit. Sowohl beim Wachstum von (11-22)- als auch von (20-21)-GaN beeinflussen die Temperatur, der Reaktordruck und das V/III-Verhältnis die Bildung der Punktdefekte VGa und der Punktdefektkomplexe VGa-ON oder VGa-CN. Aufgrund der geringen Rauigkeit wurde in Kapitel 5 das Wachstum von Heterostrukturen und Laserdioden auf (20-21)-GaN untersucht. InGaN- und AlGaN-Schichten weisen, im Vergleich zu den GaN-Pufferschichten, ein erhöhtes Bunching der Undulationen und eine erhöhte Rauigkeit auf. Im Vergleich zu (0001)-orientierten Schichten weisen die AlGaN- und InGaN-Schichten auf (20-21)-GaN eine reduzierte kritischen Schichtdicke auf. Eine theoretische Beschreibung der kritischen Schichtdicke ist, nach einer geringfügigen Modifikation, durch die von Matthews und Blakeslee vorgeschlagene Formel möglich. Im (20-21)-InGaN ist die Indiumeinbaueffizienz, im Vergleich zu (0001), reduziert. Es wurde ein Einfluss der Wachstumstemperatur und des NH3-Angebotes festgestellt. InGaN-Schichten auf (20-21)-GaN sind deutlich glatter als vergleichbare (0001)-orientierte Schichten. Dadurch eignen sich, im Vergleich zu AlGaN/GaN-, InGaN/GaN-Heterostrukturen besser für die Führung der optischen Mode in (20-21)-Laserdioden. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse haben es ermöglicht semipolare LEDs, mit Emissionswellenlängen zwischen 385nm und 500nm und Ausgangsleistungen im mW-Bereich, zu realisieren. Zusätzlich ist es gelungen violette, optisch gepumpte Laserdioden herzustellen. Für die Realisierung elektrisch betriebener Laserdioden ist eine GRINSCH-Heterostruktur vielversprechend.
In this thesis, the growth of III-Nitride-heterostructures on semipolar substrates has been investigated. These heterostructures should provide a viable alternative to (0001) oriented substrates in order to demonstrate high efficiency violet, blue and green light emitters (LEDs and laser diodes). In chapter 1, the challenges involved in the growth of light emitters with (0001) surface orientation have been discussed. The growth and investigation procedures of semipolar III-nitrides have been explained in chapter 2. In chapter 3, the results of semipolar GaN growth on (10-10) sapphire substrates have been presented. Due to the lower lattice mismatch, (10-13) oriented GaN is preferentially grown; however, due to the epitaxial relationship to the substrate, twinned crystallites are formed which lead to a rough surface. Smoother (10-13) GaN layers, with defect densities around 2•E9/cm², can be obtained with the use of low temperature (600°C) nucleation. Nitridation of the (10-10) sapphire substrate leads to (11-22) oriented GaN. The smoothest layers obtained exhibit an rms-roughness of 15 nm with defect densities around 3•E10/cm². A further reduction of the defect density, down to 5•E9/cm², is possible by growth on an AlN buffer layer. Both, (11-22) and (10-13) oriented GaN layers are Ga-polar. Next, InGaN quantum wells (QWs) with emission wavelengths between 390 nm and 505 nm were successfully grown on (11-22) GaN layers. The QWs emission exhibits an increased spectral broadening as compared to InGaN QWs with (0001) surface orientation and QWs grown on (11-22) GaN bulk substrates. As an alternative to (0001) oriented laser heterostructures, the growth of GaN on (11-22) and (20-21) oriented substrates has been investigated in chapter 4. Both the (11-22) and the (20-21) GaN layers exhibit undulations. On (11-22) GaN, the undulation period increases with increasing growth temperature showing an Arrhenius like behavior. The results suggest that the surface morphology is influenced by the anisotropic surface diffusion length. Consequently, the surfaces exhibit an arrow like morphology. On (20-21) GaN, undulations along [10-1-4] are found which are also observed on the GaN substrate. The origin of the undulations is the high stability of the (10-11)- and (10-10)-microfacetts. An increase in the microfacet length results in a reduced number of surface steps and an increase in the undulation period length. The smoothest layers, with a surface roughness of around 0.3 nm rms, can be grown at a reactor pressure of 50 hPa and temperatures around 950°C. Higher temperatures and reactor pressures lead to undulation bunching which further results in a significant increase in the surface roughness. For both surface orientations ((11-22) and (20-21)) the formation of the VGa point defects and the VGa-ON or VGa-CN point defect complexes is influenced by the growth temperature, the reactor pressure and the V/III-ratio. In chapter 5, the growth of heterostructures and laser diodes on (20-21) GaN, due to the smoothness of the surfaces obtained, has been investigated. InGaN and AlGaN layers exhibit a larger surface roughness as compared to the GaN buffer layers due to increased undulation bunching. The critical layer thickness of AlGaN and InGaN grown on (20-21) GaN is lower than on (0001) oriented templates. A calculation of the critical layer thickness on (20-21) is possible by modification of the formula which was suggested by Matthews and Blakeslee. The incorporation efficiency of In during the growth of InGaN (20-21) is lower in comparison to that on (0001). However, the incorporation efficiency can be influenced by the growth temperature and the NH3-supply. In comparison to (0001) oriented layers, the (20-21) InGaN layers exhibit a reduced surface roughness. Hence in (20-21) oriented laser diodes, in order to obtain optical confinement, InGaN/GaN heterostructures are preferred in comparison to AlGaN/GaN heterostructures. As a result of the investigations presented in this thesis, it was possible to demonstrate LEDs with emission wavelengths between 385 nm and 500 nm with optical output powers in the mW-range. Furthermore, InGaN/GaN based optically pumped violet lasers were also demonstrated. For the demonstration of current injection laser diodes, a GRINSCH heterostructure was found to be promising.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-40072
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3925
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3628
Exam Date: 11-Apr-2013
Issue Date: 31-May-2013
Date Available: 31-May-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Heterostrukturen
III-Nitride
Lichtemitter
MOVPE Epitaxie
Semipolar
Heterostructures
III-nitrides
Light emitters
MOVPE Epitaxy
Semipolar
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