Methoden zur Defektreduzierung in optoelektronischen Ga1-xInXN-Bauelementen - Epitaxie und Charakterisierung

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Die Gruppe III-Nitride mit ihren Vertretern GaN, AlN und InN bilden heute die Basis für ein weites Feld von technischen Anwendungen im optoelektronischen Bereich. Die bedeu¬ten¬dsten Beispiele darunter sind GaN-basierte blaue und grüne lichtemittierende Dioden (kurz LEDs) sowie blaue Laserdioden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Lichtemitter sind vielfältig: Blaue und grüne LEDs kommen beispielsweise in der Beleuchtung vollfarb¬tauglicher Displays oder im Automobilbereich zur Anwendung. Blaue Laserdioden sind im Bereich optischer Datenträger mit hoher Speicherdichte von wesentlicher Bedeutung.

Da es zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht möglich ist, GaN-Substrate in ausreichender Qualität und Größe herzustellen, muss bei der Epitaxie dieser Bauelemente auf Fremd¬substrate wie SiC und Saphir zurückgegriffen werden. Die Verwendung von Fremdsubstraten führt aufgrund der unter¬schiedlichen Gitterkonstanten zu einer hohen Versetzungsdichte, die sich negativ auf die Qualität von elektronischen Bauelementen auswirken kann.
In dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden zur Reduzierung der Versetzungsdichte mittels MOVPE (engl. MOVPE: Metalorganic Vapor Phase Epitaxy) in heteroepitaktischen GaN-Schichten auf 6H-SiC- und Al2O3-Substraten untersucht, und der Ein¬fluss der Ver¬setzungsdichte auf optoelektronische Ga1-xInxN-Bauelemente im Detail studiert..

Ein Ansatz zur Versetzungsreduzierung umfasst verschiedene in situ Massnahmen (in situ SiN-Zwischenschichten, GaN-Renukleations- und Pufferschichten), die während des GaN-Wachstums¬prozesses im Epi¬taxie¬reaktor durchgeführt werden können, und sowohl auf SiC- als auch auf Al2O3-Substraten angewandt wurden. Als ein weiterer Ansatz wurde das ELOG-Verfahren (engl.: Epitaxial Lateral OverGrowth) untersucht. Dieses auf Al2O3 bereits sehr erfolg¬reich ange¬wandte ex situ Verfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit auf 6H-SiC-Substrate übertragen.

Ein wesentliches Ziel der Versetzungsreduzierung bestand in der Verbesserung der Eigen¬schaften von LEDs. Dazu wurden Untersuchungen zum Einfluss der Versetzungsdichte auf die Quanteneffizienzen in Abhängigkeit der Emissionswellenlänge und der injizierten Betriebsstromes durchgeführt. Mit Hilfe von TEM- und DALI-Auswertungen (DALI: Digital Analysis of Lattice Images) wurde die Indiumverteilung in der optisch aktiven Ga1-xInxN-Zone von LEDs bei verschiedenen Emissionswellenlängen untersucht. Mit Hilfe theoretischer Simulationen basierend auf diesen Daten konnte eine quantitative Bestimmung der Exziton-Lokalisierungsenergie in den Indium-Fluktuationen der optisch aktiven Quantenfilme erfolgen, und ein quantitativer Zusammenhang zwischen der Exziton-Lokalisierungsenergie und dem Einfluss der Versetzungen auf die Quanteneffizienz der LEDs in Abhängigkeit der Emissionswellenlänge gezeigt werden.