Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4023
Main Title: Versetzungsreduzierte AlN- und AlGaN-Schichten als Basis für UV LEDs
Translated Title: Defect reduced AlN and AlGaN as basic layers for UV LEDs
Author(s): Küller, Viola
Advisor(s): Weyers, Markus
Referee(s): Kneissl, Michael
Weyers, Markus
Hommel, Detlef
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Für die Realisierung effizienter UV LEDs wurden in dieser Arbeit AlN und AlGaN als UV-transparente Basisschichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf c-planaren Saphirsubstraten abgeschieden. Die AlGaN-Schichten wurden untersucht und die strukturellen und optischen Eigenschaften analysiert. Eine Reduktion der Versetzungsdichte und der Verspannung im Material ist entscheidend für die Anwendung als Basisschichten für lichtemittierende Bauelemente. Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die reproduzierbare Abscheidung von glattem und versetzungsreduziertem AlN auf Saphir realisiert. Mit einer Optimierung der Wachstumsbedingungen konnte die Schraubenversetzungsdichte in den AlN-Schichten auf unter 10^8 cm^−2 reduziert werden. Allerdings wird dadurch eine Prozessinstabilität verursacht und es kann eine Rauigkeit entstehen, die durch die Existenz von Inversionsdomänen erklärt werden kann. Mit einem optimierten Desorptionsprozess konnten reproduzierbar glatte AlN/Saphir Schichten als Grundlage für alle folgenden Untersuchungen hergestellt werden. Da die Stufenversetzungsdichte in diesen Schichten für die Realisierung effizienter LEDs noch zu hoch ist und durch die tensile Verspannungen im Material Rissbildung schon bei Schichtdicken unterhalb von einem Mikrometer auftritt, wird der Ansatz des epitaktischen lateralen Überwachsens mit AlN verfolgt. Die mittels dieser Methode erreichte Versetzungsreduktion um mehr als eine Größenordnung auf eine Versetzungsdichte von unter 10^9 cm^−2 wurde mit verschiedenen Charakterisierungsmethoden verifiziert und es konnten über acht Mikrometer dicke AlN Schichten rissfrei epitaxiert werden. Zudem konnte der Einfluss verschiedener Wachstumsparameter auf das Lateralwachstum von AlN bestimmt werden und es konnten verschiedene Motive und deren Auswirkungen auf das Koaleszenzverhalten untersucht werden. Allerdings sind auf der Oberfläche im Allgemeinen Makrostufen vorhanden. Sowohl mit einer geeigneten Substratverkippung und Ätztiefe, als auch durch die Verwendung eines Wabenmotivs konnte die Entstehung dieser Makrostufen unterdrückt werden. Auf den mit AlN überwachsenen Templates wurden AlGaN-Schichten abgeschieden. Im mittleren Kompositionsbereich entstehen an den Makrostufen Ga-reiche Facetten, die im weiteren Wachstum annihilieren, aber zu Kompositionsinhomogenitäten innerhalb der AlGaN-Schicht führen. Die Versetzungsdichte steigt im AlGaN wieder auf ≈ 8 × 10^9 cm^−2. Im hohen Kompositionsbereich kann AlGaN pseudomorph auf AlN abgeschieden werden und es entstehen keine zusätzlichen Versetzungen an der AlN/AlGaN Grenzfläche. Die im AlN durch das Lateralwachstum erreichte niedrige Versetzungsdichte wird beibehalten. Letztendlich konnten verbesserte Eigenschaften von UV LED Heterostrukturen nachgewiesen und die Eignung der Schichten als Basis für UV-B LEDs verifiziert werden. Für die Entwicklung von UV-C LEDs konnten auf den entwickelten Templates n-leitfähige AlGaN-Schichten mit einem Al-Gehalt von über 77 % realisiert und eine Steigerung der interne Quanteneffizienz von AlGaN Quantenfilmen erreicht werden. Diese Ergebnisse legen die Grundlage für die Realisierung von kurzwelligen UV-C LEDs mit Emissionswellenlängen kleiner 250 nm.
In this work, AlN and AlGaN buffer layers are investigated and optimised for the realisation of efficient UV LEDs. The layers are deposited on c-plane sapphire substrates by metalorganic vapour phase epitaxy. The dislocation density and the strain in the template material is crucial for light emitting devices. Initially the growth of smooth AlN on sapphire with improved crystal quality was realised. By optimising the growth conditions it was possible to reduce the screw dislocation density below 108 cm−2. However, by applying these conditions, the process becomes instable with an occasional occurence of a specific roughness. The roughness could be correlated to the existence of inversion domains. By applying optimised desorption conditions it was possible to suppress inversion domains and to develop reproducibly smooth Al polar AlN layers on sapphire which is the basis for all further investigations. The edge dislocation density is still too high for efficient UV LEDs and the layers suffer from the formation of cracks due to tensile strain even below a thickness of one micrometer. To reduce these problems the method of epitaxial lateral overgrowth was applied. By using this approach it is possible to investigate the influence of various growth parameters on the lateral growth rate of AlN. Additionally a variation of differently patterned structures and their influence on the coalescence was investigated. The dislocation density reduction by more than one order of magnitude below 109 cm−2 was verified by several characterisation methods und crack free, up to 8 μm thick AlN layers were realised. Specific morphology features in terms of macroscopic steps on the surface occur. By choosing a suitable substrate miscut in combination with a reduced etching depth it is possible to prevent the appearance of these steps. Ternary AlxGa1-xN was then deposited on laterally overgrown AlN. In the medium compositional range (x ≈ 0.5) Ga-rich facets develop at the macrosteps of the underlying AlN. These facets annihilate during growth, but lead to compositional inhomogeneities in the Al0.5Ga0.5N layer. Pseudomorphic growth was not achieved, so the dislocation density in Al0.5Ga0.5N increases again to ≈ 8×109 cm−2. Pseudomorphic growth was achieved in the high percental range (x ≈ 0.8) where no additional dislocations are generated at the AlN/AlGaN interface. Hence the achieved low dislocation density continues in the fully strained Al0.8Ga0.2N material. The enhanced properties of UV-B LED heterostructures are demonstrated and the applicability of these layers as basic layers for UV LEDs is verified. A conductivity of n-doped AlGaN layers with Al compositions of more than 77 % were demonstrated and an increase of the internal quantum efficiency of AlGaN Multiquantumwells was achied on the overgrown basic layers. These results provide a basis for the realisation of UV-C LEDs with emission wavelengths below 250 nm.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-50111
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4320
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4023
Exam Date: 7-Jan-2014
Issue Date: 6-Jun-2014
Date Available: 6-Jun-2014
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): AlGaN
AlN
Epitaxie
Überwachsen
Versetzungsreduktion
Dislocation density reduction
ELO
Nitride
Overgrowth
Template
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