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Wachstum von nicht- und semipolaren InAlGaN-Heterostrukturen für hocheffiziente Lichtemitter
Wernicke, Tim
Optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und seinen Legierungen InGaN und AlGaN emittieren Licht vom sichtbaren bis in den ultravioletten Spektralbereich. Bei fast allen GaN-basierten Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden (LDs) sind die Kristalle entlang der polaren (0001) Richtung orientiert, bei der sich eine stabile Wachstumsoberfläche ausbildet. Die resultierenden Polarisationseffekte haben allerdings negative Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften der Lichtemitter. So verursachen sie z. B. eine Wellenlängenverschiebung mit ansteigender Stromdichte und verringern die Effizienz von LEDs. Das Wachstum von Schichten auf nicht- bzw. semipolaren Kristalloberflächen, z. B. den (10-10) oder (11-22) Oberflächen, ermöglicht Bauelemente mit verbesserten optischen Eigenschaften. Da der Einbau von Indium in InGaN-Quantenfilme auf einigen semipolaren Oberflächen effizienter ist als auf der polaren Oberfläche, wäre dies auch ein vielversprechender Ansatz, um grüne Laserdioden (LDs) zu realisieren. Im Gegensatz zu Bauelementen auf (0001) Oberflächen existieren bei Quantenfilmen auf nichtpolarem GaN keine Polarisationsfelder. Dies führt bei LEDs zu einer erhöhten Effizienz und ermöglicht eine konstante Emissionswellenlänge unabhängig von der Stromdichte. Eine besondere Herausforderung beim Wachstum von nicht- und semipolarem GaN ist die Wahl des geeigneten Substrates: Fremdsubstrate wie Saphir oder LiAlO2 erlauben zwar eine Abscheidung auf 2-Zoll-Wafern, haben jedoch im Vergleich zu c-plane GaN auf Saphir eine sehr hohe Defektdichte – typische Halbwertsbreiten von Röntgenbeugungs-Rocking-Kurven liegen bei > 900". Um die Defektdichte zu reduzieren, wurde epitaktisches laterales Überwachsen (ELOG) für nichtpolares a-plane GaN erfolgreich angewendet. Die Verbesserung der optischen Eigenschaften und die Verringerung der Defektdichte wurde durch Kathodolumineszenz- und Trasmissionselektronenmikroskopieuntersuchen nachgewiesen. Die beste Kristallqualität haben homoepitaktische Schichten auf GaN-Substraten mit Halbwertsbreiten von Rocking-Kurven < 150". Allerdings sind sie nur in sehr geringen Größen von maximal 5x20 mm² verfügbar. Beim Wachstum von Galliumnitridschichten auf diesen Substraten bilden sich Hügel, die die Wellenleitung und die elektrische Leitung in Laserstrukturen auf diesen Substraten stört. Durch die Reduktion der Adatomdiffusionslänge konnten auf semipolaren GaN Substraten mit den Orientierungen (10-11), (10-12) und (11-22) glatte Oberflächen erreicht werden aber nicht auf m-plane GaN. Mit Hilfe der GaN-Substrate wurde der Indiumeinbau untersucht. Die (10-11) Orientierung hat den höchsten Indiumeinbau, gefolgt von (11-22) und c-plane. m-plane und (10-12) Oberflächen bauen im Vergleich zu den anderen Orientierungen wesentlich weniger Indium ein. Die bevorzugte Orientierung für grüne Emitter wäre daher (10-11) oder (11-22). Qualitativ hochwertige Laserstruktruren mit sehr niedriger Defektdichte können auf m-plane und semipolaren GaN Substraten gewachsen werden. Diese Strukturen zeigen Verstärkte spontane Emission. Wegen der geringen Größe der Substrate ist deren Prozessierung zu LEDs und Laserdioden wesentlich komplexer als für ganze 2” Wafer. Epitaxie und Prozessierung wurden für diese Substrate entwickelt um erste LED Teststrukturen zu realisieren. Auf m-plane erreichen LED-Teststrukturen bei einer Wellenlänge von 410 nm eine Ausgangsleistung bis zu 2,5 mW.
Optoelectronic devices based on GaN and its alloys InGaN and AlGaN are capable of emitting light from the visible to the ultraviolet spectral region. Blue and green lasers have applications in laser projectors, DNA sequencing and spectroscopy. But it is extremely difficult to fabricate green laser diodes. Currently almost all of the light emitting diodes (LEDs) and lasers are grown on GaN crystals that are oriented in the polar (0001) c-plane direction, which provides the most stable growth surface. However the resulting polarization fields on (0001) GaN have detrimental effects on the optical properties of nitride light emitters, e.g. causing significant wavelength shifts and reduced efficiencies in InGaN LEDs. Growth on crystal surfaces with non- and semipolar orientations, e.g. (10-10) m-plane or (11-22), could enable devices with new and improved optical properties. For example, for nonpolar and semipolar LEDs the degree of polarization of the emitted light can be tailored. Furthermore easier to grow devices with green light emission, since the indium incorporation is enhanced for semipolar orientations. In contrast to c-plane GaN there is no polarization field across quantum wells on nonpolar GaN. By reducing the polarization fields an increase in the radiative recombination rate can be expected and would lead to higher LED efficiencies and lower laser thresholds. One of the biggest challenges for the growth of light emitters on non- and semipolar GaN is the choice of a suitable substrate: Heteroepitaxial growth on sapphire or LiAlO2 allows the deposition of GaN on 2" diameter wafers and larger. However, these layers show a very high defect density in particular basal plane stacking faults, in comparison to c-plane GaN on sapphire. In order to reduce the defect density we applied successfully epitaxial lateral overgrowth to heteroepitaxial nonpolar a-plane GaN and verified the improvement by spatially and spectrally cathodoluminescence imaging as well as transmission electron microscopy. Homoepitaxial layers on bulk GaN substrates exhibit an excellent crystal quality (FWHM <150 arcsec in XRD rocking curves) but are currently only available in very small sizes up to 5 x 20 mm². The layers on these substrates exhibit a distinct pyramidal surface morphology resulting in a distortion of the optical and electronic properties of the emitter heterostructure. When we reduced the adatom diffusion length, the hillock structure could be strongly reduced for the semipolar orientations (10-11), (10-12) and (11-22) but not for m-plane GaN. Using these substrates the In-incorporation into quantum wells was studied. The (10-11) exhibited the highest incorporation efficiency followed by (11-22) and c-plane. M-plane and (1012) feature a much lower In-incorporation compared to the other orientations. The favorable orientation for green emitters would be therefore the (10-11) and (11-22). We grew high-quality laser heterostructures with very low defect densities on bulk m-plane and semipolar GaN substrates. These structures show amplified stimulated emission and the tilting of laser modes in semipolar resonators due to birefringence was experimentally observed for the first time. Epitaxial growth and device fabrication processes were developed to realize LED structures and broad area laser devices on nonpolar surfaces. We were able to demonstrate current-injection InGaN MQW LEDs at 410 nm with a maximum output power of 2.5 mW on m-plane GaN substrates.
