Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5645
Main Title: Charakterisierung und Optimierung von (Al, Ga)N-basierten UV-Photodetektoren
Translated Title: Characterization and optimization of (Al, Ga)N based UV photodetectors
Author(s): Brendel, Moritz
Advisor(s): Weyers, Markus
Referee(s): Kneissl, Michael
Schwarz, Ulrich T.
Weyers, Markus
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In this work, the influence of dislocation density, heterostructure design and detector geometry on the electro-optic properties of AlGaN-based metal-semiconductor-metal photodetectors (MSM PD) was investigated. The focus was on the realization of Schottky-type MSM PD suitable for photodetection below wavelengths of 300 nm with a high external quantum efficiency (EQE). First, experimental and simulated results were combined to give a detailed study of the performance of top- and bottom-illuminated Al0.5Ga0.5N/AlN MSM PD on planar c-sapphire templates. Of particular note here is the threshold and saturation behavior of the EQE as a function of the operating voltage observed for all detectors with an AlN buffer layer under bottom illumination, since an EQE of 50 % and 68 % was achieved at 50 V for absorber layer thicknesses of 0.1 μm and 0.5 μm, respectively. The analysis of 2-dimensional simulation data showed that this is essentially caused by the polarization charge located at the AlGaN/AlN heterojunction, leading to an accumulation of photogenerated minority carriers along this interface. The transport of these charge carriers to the Schottky contact correlates to a certain threshold voltage which decreases from 22 V to 5 V with decreasing absorber layer thickness. For thin detectors therefore an EQE of about about 30 % was obtained at 7 V or 1 V for geometrically symmetric or asymmetric electrode configuration, respectively. The use of an alloyed and a non-alloyed electrode comb in the MSM design (a-MSM) finally allowed an EQE of 24 % with no external bias. In addition, top-illuminated Al0.4Ga0.6N MSM PD fabricated on two different template types were examined, which by means of epitaxial lateral overgrowth (ELO) of AlN were produced on patterned AlN/sapphire to investigate the device behavior at reduced threading dislocation density. Using SEM and CL it was found that the Al0.4Ga0.6N absorber layers on ELO-AlN showed a periodically modulated distribution of the threading dislocation density as well as an inhomogeneous material composition. With thin absorber layers (ELO) high dark currents due to internal interfaces as well as photoconductive gain due to hole accumulation at these interfaces were observed. For thick absorber layers (ELOB), in which the material inhomogeneity is buried far from the electrodes, an increase in the EQE over that of the planar PD of same geometry was observed, that was explained by the threading dislocation density being reduced from 9×10^9 /cm² in the planar PD to 1.4×10^9 /cm² in the ELOB PD. Finally, the anisotropy of the EQE of MSM PD with respect to substrate miscut and electrode orientation was explained by approximating the modulated dislocation density as a periodically altering arrangement of AlGaN regions of different specific resistance promoting the flow of photo-induced current between two electrodes for the parallel case. These results have also been reproduced based on 1-dimensional calculations. Overall understanding of transport processes in AlGaN MSM PD has been improved and approaches for the realization of detectors with high EQE but without gain as well as very sensitive, yet linear detectors with gain have been demonstrated.
In dieser Arbeit wurden die Einflüsse von Versetzungsdichte, Heterostruktur und Detektorgeometrie auf die elektrooptischen Eigenschaften AlGaN-basierter Metall-Halbleiter-Metall Photodetektoren (MSM PD) untersucht. Im Vordergrund stand dabei die Realisierung von Schottky-Typ MSM PD, die für die Photodetektion für Wellenlängen unterhalb von 300 nm geeignet sind und eine möglichst hohe externe Quanteneffizienz (EQE) aufweisen. Zunächst wurden experimentelle und simulierte Ergebnisse zu einer ausführlichen Studie des Bauteilverhaltens front- und rückseitig bestrahlter Al0,5Ga0,5N/AlN MSM PD auf planaren c-Saphir Templates zusammengeführt. Besonders hervorzuheben ist hierbei das Schwellen- und Sättigungsverhalten der EQE als Funktion der Betriebsspannung sämtlicher Detektoren mit AlN-Pufferschicht unter rückseitiger Bestrahlung, da hier eine EQE von bis zu ca. 50 % bzw. 68 % bei 50 V für Absorberschichtdicken zwischen 0,1 μm und 0,5 μm erzielt werden konnte. Die Analyse 2-dimensionaler Simulationsdaten zeigte, dass es aufgrund der Polarisationsladung am AlGaN/AlN-Heteroübergang zu einer Akkumulation photogenerierter Löcher entlang dieser Grenzfläche führt, deren Transport zum Schottky-Kontakt oberhalb einer mit sinkender Absorberschichtdicke von ca. 22 V auf ca. 5 V abnehmenden Schwellenspannung einsetzt. Für dünne Detektoren wurde eine EQE von ca. 30 % bei rund 7 V für die geometrisch symmetrische bzw. bei nur noch 1 V für eine geometrisch asymmetrische Elektrodenkonfiguration erzielt. Die Verwendung eines legierten und eines nicht legierten Elektrodenkamms (a-MSM) ermöglichte schließlich eine EQE von 24 % ohne externe Vorspannung. Außerdem wurden frontseitig bestrahlte Al0,4Ga0,6N MSM PD auf zwei unterschiedlichen Template-Typen untersucht, die mittels epitaktisch lateralem Überwachsens (ELO) von AlN auf strukturierten AlN/Saphir hergestellt wurden, um das Bauteilverhalten bei reduzierter Durchstoßversetzungsdichte zu untersuchen. Aus REM- und CL-Untersuchungen ging hervor, dass die Al0,4Ga0,6N-Absorberschichten auf ELO-AlN bis zu einer gewissen Schichtdicke eine im Mittel reduzierte jedoch periodisch modulierte Versetzungsdichte aufweisen und die Materialzusammensetzung inhomogen ist. Bei dünnen Absorberschichten (ELO) liegen aufgrund interner Grenzflächen hohe Dunkelströme und außerdem Photostromverstärkung im Detektor vor. Für dicke Absorberschichten (ELOB), bei denen die Materialinhomogenität tiefer unterhalb der Elektroden vergraben liegt, wurde eine Erhöhung der EQE beobachtet, die auf die von 9×10^9 /cm² im planaren PD auf 1,4×10^9 /cm² abgesenkte Versetzungsdichte im ELOB PD zurückgeführt werden kann. Schließlich wurde die Anisotropie der EQE von MSM PD auf verkippten Substraten dadurch erklärt, dass die wachstumsbedingte Modulation der Versetzungsdichte einer alternierenden Abfolge von Materialregionen mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand aufgefasst werden kann, so dass der Photostromfluss zwischen zwei Elektroden gerade durch deren parallele Anordnung begünstigt wird. Diese Ergebnisse wurden ebenfalls anhand von 1-dimensionalen Berechungen reproduziert. Insgesamt wurde das Verständnis der Transportprozesse in AlGaN MSM PD verbessert und es wurden Ansätze sowohl für Detektoren mit hoher EQE ohne Verstärkung als auch sehr empfindliche, aber dennoch lineare Detektoren mit Verstärkung aufgezeigt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6064
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5645
Exam Date: 24-Nov-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 21-Dec-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): Aluminiumgalliumnitrid
Nitride
Fotodetektor
Metall-Halbleiter-Metall
Verstetzungen
AlGaN
nitrides
photodetector
metal-semiconductor-metal
dislocations
epitaxial lateral overgrowth
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