Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4249
Main Title: Analyse struktureller und optischer Eigenschaften von semipolarem (Al, Ga, In)N mittels hochauflösender Röntgenbeugung und polarisationsaufgelöster Transmissionsspektroskopie
Translated Title: Analysis of structural and optical properties of semipolar (Al, Ga, In)N by high-resolution X-ray diffraction and polarization-resolved transmission spectroscopy
Author(s): Frentrup, Martin
Advisor(s): Kneissl, Michael
Referee(s): Kneissl, Michael
Dadgar, Armin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Semipolare AlGaN und AlInN-Schichten sind vielversprechende Materialien für die Herstellung hocheffizienter Laser- und Leuchtdioden im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich. Durch die reduzierte Symmetrie von epitaktisch hergestellten (Al, Ga, In)N Heterostrukturen in semipolarer Orientierung im Vergleich zu Heterostrukturen mit polarer Orientierung, verändern sich deren strukturelle und optische Eigenschaften. Bei semipolaren (Al, Ga, In)N Heterostrukturen führen anisotrope Dehnungen und Scherungen zu einer komplexen triklinen Deformation des normalerweise hexagonalen Kristallgitters. Um diese zu analysieren, wurde ein Röntgenverfahren erarbeitet mit dem die Gitterparameter, die Zusammensetzung und der Dehnungs- sowie Verspannungszustand sehr genau bestimmt werden können. Die Genauigkeit dieser Methode liegt in der Größenordnung von wenigen 10^-4 Å für Gitterparameter und unter 0,2% (absoluter Fehler) für chemische Zusammensetzungen. Damit ist die Methode deutlich genauer als die meisten bisher in der Literatur vorgestellten Ansätze und erlaubt selbst sehr kleine Abweichungen der Gitterkonstanten durch Dehnungen zu bestimmen. Das Rötngenverfahren wurde verwendet um eine Serie von (11-22) planaren AlGaN-Schichten mit verschiedener Zusammensetzung, die auf Saphir-Substraten gewachsen wurden, zu charakterisieren. Es zeigte sich, dass die Schichten zum Teil stark anisotropen Dehnungen und Verspannungen innerhalb der Grenzfläche zum Saphir-Substrat unterliegen, die sehr von der Zusammensetzung und den Herstellungsbedingungen der jeweiligen Schicht abhängen. Als dominante Ursachen für die Verspannungen wurden die thermische Fehlanpassung der vorliegenden Materialien, sowie die Bildung von Kristalldefekten während des Wachstums identifiziert. Letztere ist auf eine stark anisotrope Oberflächenkinetik bei der Koaleszenz von Inseln zurück zuführen und ist die Hauptursache für die starke Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen. Diese defektinduzierte Verspannung verursacht Diffusionsprozesse auf den AlGaN-Oberflächen, die zu einer leicht welligen Morphologie führen. Unter Berücksichtigung der Dehnungen und Zusammensetzungen wurden die optischen Eigenschaften von GaN, AlGaN und AlInN experimentell und theoretisch untersucht. Dabei wurden Bowing-Parameter von (0,58 ± 0,07)eV in AlGaN und (4,2 ± 0,2)eV in AlInN bestimmt. Des Weiteren wurden die Verschiebung der Valenzsubbänder zueinander in der Bandstruktur und die Polarisation der dominanten Übergänge zwischen oberstem Valenzband und Leitungsband analysiert. In AlGaN wie auch in AlInN wurde ein Polarisationswechsel des obersten Valenzbandes beobachtet, der eng mit der Änderung der Anordnung der Valenzsubbänder in der Bandstruktur verbunden ist. In AlN und aluminiumreichen Schichten hat das oberste Valenzband pz-artigen Orbitalcharakter und die darunterliegenden Subbänder pxpy-artigen Charakter. In sehr galliumreichen AlGaN-Schichten beziehungsweise indiumreichen AlInN-Schichten ist die Reihenfolge umgekehrt, d.h. die Zustände des untersten Bandes sind jeweils pz-polarisiert. An Hand des beobachteten Polarisationswechsels war es möglich das System der Gruppe-III-Nitridhalbleiter vollständig in zwei Bereiche der Lichtpolarisation – parallel und senkrecht zur c-Achse – zu unterteilen. Der Wechsel zwischen beiden Bereichen findet in AlGaN bei einem Aluminiumgehalt von (11 ± 2)% und in AlInN bei einem Aluminiumgehalt von etwa 53% statt. Die Bereiche für AlInGaN ergeben sich dann durch lineare Näherung zwischen diesen beiden Punkten.
Semipolar AlGaN und AlInN layers are promising materials for the fabrication of highly efficient laser and light-emitting diodes in the visible and ultraviolet spectral range. Due to the lower symmetry of epitaxially grown (Al, Ga, In)N heterostructures with semipolar crystal orientation compared to heterostructures with polar orientation, their structural and optical properties change. In semipolar (Al, Ga, In)N heterostructures, anisotropic strain and shear strain lead to a complex triclinic distortion of the natural hexagonal crystal lattice. In this work a procedure was developed to accurately determine the lattice constants, strain state, and composition of semipolar heterostructures using high resolution X-ray diffraction. The precision of this method is in the order of a few 10^-4 Å for lattice parameters and 0.2% (absolute error) for chemical compositions. Thus, the method is significantly more accurate than most previously presented approaches in literature and allows the determination of very small deviations of the lattice constants due to strain. The X-ray method was used to characterise a series of (11-22) AlGaN layers with different aluminium contents which were grown directly on (10-10) m-plane sapphire substrates. Highly anisotropic strains and stresses at the interfaces between AlGaN layers and the sapphire substrate were measured. These depend very strongly on the composition and the growth conditions of the respective layers. Thermal mismatch of AlGaN and sapphire and the formation of crystal defects during growth have been identified as the origin of anisotropic strain. The formation of crystal defects is caused by a highly anisotropic surface kinetics during coalescence of islands and is the main cause for the strong dependence on the growth conditions. This defect-induced strain causes diffusion processes on the AlGaN surfaces leading to surface undulations. The optical properties of GaN, AlGaN and AlInN were studied experimentally and theoretically under consideration of the strain state and the composition. Bowing parameters were determined to be (0.58 ± 0.07)eV in AlGaN and (4.2 ± 0.2)eV in AlInN. Furthermore, the energy splitting of the valence sub-bands and the polarization of the dominant transition between topmost valence band and conduction band were analyzed. In AlGaN as well as in AlInN a change in polarization was observed which is closely connected with the change in the sequence of valence sub-bands. In AlN and aluminium-rich layers, the topmost valence band has pz-like orbital character and the underlying sub-bands have pxpy -like character. In very gallium-rich AlGaN layers and indium-rich AlInN-layers this order is reversed, i.e. the states of the lowest sub-band are pz-polarized. On the basis of the observed polarization changes, it is possible to completely divide the group of III-nitride semiconductors according to their orbital (polarization) character. The change between the states occurs in case of AlGaN at an aluminium content of (11 ± 2)% and in AlInN at an aluminium content of approximately 53%. Then the regions of polarization for AlInGaN can be obtained by linear interpolation between these two points.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-58804
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4546
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4249
Exam Date: 22-Aug-2014
Issue Date: 11-Dec-2014
Date Available: 11-Dec-2014
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Bandlücke
Band gap
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Festkörperphysik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
frentrup_martin.pdf11.57 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


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