Wachstum und Charakterisierung von (Al,Ga,In)N-Heterostrukturen mit verschiedenen Kristallorientierungen für langwellige Lichtemitter

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Herstellung und die Charakterisierung von Halbleiter- Heterostrukturen der Gruppe-III-Nitride, welche für einen Einsatz in Lichtemittern im grünen Spektralbereich bestimmt sind. Das Wachstum der Halbleiterschichten erfolgt dabei mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie sowohl auf der konventionellen c-plane Fläche der Wurtzitstruktur als auch auf nicht- oder semipolaren Oberflächen, die in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen haben.

Im ersten Teil der Arbeit werden Ergebnisse an c-plane GaInN/GaN QW-Strukturen mit hohen Indium-Gehalten vorgestellt. Dabei wurde untersucht, wie die Qualität von hoch-In-haltigen QW-Strukturen durch verschiedene Wachstumsparameter sowie die Wahl des Substrats beeinflusst wird. Es zeigt sich, dass eine verspannungsinduzierte Bildung von Defekten in der aktiven Zone die Hauptursache für die starke Abnahme der Effizienz im grünen Spektralbereich sein könnte. In Experimenten zur Temperaturstabilität von GaInN/GaN QW-Strukturen wurde zudem beobachtet, dass das Wachstum einer Deckschicht bei hohen Temperaturen zu einer Degradation der QWs führen kann. Auch in diesem Fall deutet sich an, dass die zusätzliche Bildung von Defekten, die während des Deckschichtwachstums erfolgt, wiederum verspannungsinduziert ist.

Der zweite Teil der Arbeit ist dann der Untersuchung von nitridbasierten Halbleiter-Heterostrukturen auf nicht- und semipolaren Oberflächen der Wurtzitstruktur gewidmet. Beim Wachstum von GaInN/GaN QW-Strukturen wurde beobachtet, dass unter identischen Wachstumsbedingungen die Wachstumsraten sowie der Indium-Einbau auf den nichtpolaren Oberflächen (a-plane und m-plane) vergleichbar sind mit denen auf der konventionellen c-plane Oberfläche. Auf der semi-polaren (1122) Fläche deutet sich hingegen ein etwas höherer Indium-Einbau an.

In der Analyse der optischen Eigenschaften zeigt sich anhand der Übergangsenergien sowie der Rekombinationsdynamik, dass der Einfluss des elektrischen Feldes in den nichtpolaren QW-Strukturen tatsächlich verschwindet. Darüber hinaus zeigen die optischen Experimente, dass in QW-Strukturen auf m-plane SiC, die eine hohe Stapelfehlerdichte aufweisen, an den Kreuzungspunkten zwischen Stapelfehlern und QWs quantendrahtartige Strukturen ausgebildet werden, die eine effektive strahlende Rekombination der Ladungsträger ermöglichen.

Desweiteren wurden die Polarisationseigenschaften von nicht- und semipolaren Quantenfilm- Strukturen untersucht. Dabei konnte beobachtet werden, dass auf bulk GaN-Substraten die Polarisationsanisotropie von m-plane GaInN QWs mit zunehmendem Indium-Gehalt ansteigt. Dieser Anstieg des Polarisationsgrades geht auf die größere Verspannung mit zunehmendem Indium-Gehalt zurück, die zu einer stärkeren Aufspaltung der obersten Valenzbäder führt. Auf m-plane 6H-SiC-Substraten wird jedoch in allen QW-Strukturen ein sehr hoher Polarisationsgrad von 90 % oder mehr beobachtet. Dieser Effekt ist auf eine stark anisotrope Verspannung der QW-Strukturen zurückzuführen, welche zu einer starken Aufspaltung der obersten Valenzbänder und damit zu eben diesen hohen Polarisationsgraden führt.