Unterdrückung nichtstrahlender Rekombination in UV-emittierenden Quantenfilmen auf GaN/AlGaN-Basis

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hangleiter
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 31885403

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Während Quantenfilme auf der Basis von GaInN/GaN trotz der hohen Defektdichte in heteroepitaktischen Schichten für LED’s eine hohe Quantenausbeute zeigen, sind In-freie Quantenfilme auf GaN/AlGaN-Basis bisher weit weniger hell. Eine mögliche Rolle von V-Pits, die bei GaInN/GaN-Strukturen von zentraler Bedeutung sind, steht hier im Mittelpunkt des Interesses. Mit Hilfe der metallorganischen Gasphasenepitaxie wurden Wachstumsprozesse für GaN/AlGaN-Heterostrukturen entwickelt, die die Herstellung homogener AlGaN-Schichten mit guten Grenzflächen-Eigenschaften erlauben. Andererseits können durchVerwendung dünner Tieftemperatur-AlGaN-Schichten die Versetzungen gezielt mit V-Pits dekoriert werden. Die Optimierung von Quantenfilmstrukturen im Hinblick auf hohe Quantenausbeute bei der Lichtemission ergab interne Quantenausbeuten von ca. 30 % bei Raumtemperatur. Derartige Strukturen zeigen im Elektronenmikroskop an jeder Versetzung einen V-Pit, auf dessen (1101) Seitenfacetten die Quantenfilme eine reduzierte Dicke aufweisen und so zu einer Energiebarriere um die Versetzung führen. Messungen mit dem Nahfeld-Mikroskop zeigen sowohl für GaN/AlGaN- als auch für GaInN/GaN-Quantenfilme bei Raumtemperatur eine stark reduzierte Intensität in der Umgebung von Durchstoß-Versetzungen. Bei tiefer Temperatur wird aus diesen Bereichen eine hochenergetische Emission sichtbar, die den Seitenfacetten der V-Pits mit den dort beobachteten Quantenfilmen reduzierter Dicke zugeordnet werden kann. Der Vergleich des Verhaltens der verbesserten GaN/AlGaN-Quantenfilme mit guten GaInN/GaN-Quantenfilmen zeigt weitgehende Ähnlichkeiten. Das Konzept der Defektabschirmung in Nitrid-Quantenfilmen durch Dekoration mit V-Pits lässt sich offensichtlich universell sowohl in GaInN/GaN- wie auch in GaN/AlGaN-Strukturen einsetzen und führt zu einer drastischen Steigerung der internen Quantenausbeute.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Aluminum incorporation in Alx Ga1−x N-layers and implications for growth optimization”, J. Crystal Growth 298, 361 (2007)
  U. Rossow, D. Fuhrmann, T. Litte, T. Retzlaff, L. Hoffmann, H. Bremers, and A. Hangleiter
  
• “Anti-localization suppresses non-radiative recombination in GaInN/GaN quantum wells”, Phil. Mag. 87, 2041 (2007)
  A. Hangleiter, C. Netzel, D. Fuhrmann, F. Hitzel, L. Hoffmann, H. Bremers, U. Rossow, G. Ade and P. Hinze
  
• “Control of nonradiative recombination centers in GaN-based light emitters”, MRS Spring Meeting, San Francisco, USA, April 2007
  A. Hangleiter
  
• “Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturelle Qualität von AlGaN- Schichten”, DPG-Frühjahrstagung, Regensburg, 2007.
  L. Hoffmann, D. Fuhrmann, H. Bremers, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “Emission and recombination characteristics of GaInN/GaN quantum well structures with nonradiative recombination suppression by V-shaped pits”, Phys. Rev. B 76, 155322 (2007)
  C. Netzel, H. Bremers, L. Hoffmann, D. Fuhrmann, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “Optimierung von nitrid-basierten sichtbaren und ultravioletten Lichtemittern”, DPG-Frühjahrstagung, Regensburg, 2007
  D. Fuhrmann, H. Jönen, U. Rossow, C. Netzel, L. Hoffmann, H. Bremers, and A. Hangleiter
  
• “Recent progress in understanding and optimizing nitride-based light emitters”, Photonics West, San Jose, USA, Januar 2007
  A. Hangleiter, D. Fuhrmann, C. Netzel, H. Jönen, T. Litte, and U. Rossow
  
• “Stark shift of interband transitions in AlN/GaN superlattices”, Appl. Phys. Lett. 90, 241906 (2007)
  C. Buchheim, R. Goldhahn, A. T. Winzer, G. Gobsch, U. Rossow, D. Fuhrmann, A. Hangleiter, F. Furtmayr, and M. Eickhoff
  
• “Vertically Increasing Well Thickness and In Content in GaInN MQW’s due to V-shaped Pits”, Mat. Res. Symp. Proc. 955, 0955-I15-39 (2007)
  H. Bremers, L. Hoffmann, D. Fuhrmann, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “Effect of V-shaped pits on the emission efficiency of UV-emitting GaN/AlGaN quantum wells”, International Symposium on Semiconductor Light Emitting Devices, Phoenix, AZ, USA, 2008
  D. Fuhrmann, L. Hoffmann, P. Clodius, T. Langer, H. Bremers, U. Rossow, P. Hinze, G. Ade, and A. Hangleiter
  
• “Investigations of deep lying wide bandgap GaN and InGaN quantum well structures: A challenge for ellipsometric methods”, phys. stat. sol. (c) 5, 1378 (2008)
  U. Rossow, D. Fuhrmann, H. Jönen, and A. Hangleiter
  
• “SNOM studies of GaInN/GaN and GaN/AlGaN QW structures”, DPG-Frühjahrstagung, Berlin, 2008
  P. Clodius, F. Hitzel, D. Fuhrmann, C. Netzel, H. Jönen, L. Hoffmann, H. Bremers, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “Dislocation screening and strongly increased internal quantum efficiency in heteroepitaxial GaN/AlGaN UV-emitting quantum wells”, Phys. Rev. B 79, 073303 (2009)
  D. Fuhrmann, T. Retzlaff, M. Greve, L. Hoffmann, H. Bremers, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “SNOM measurements of GaInN/GaN and GaN/AlGaN light emitting quantum well structures”, DPG-Frühjahrstagung, Dresden, 2009
  P. Clodius, H. Jönen, L. Hoffmann, H. Bremers, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “Near-field microscopy on GaInN/GaN green light emitting quantum-well structures”, DPG-Frühjahrstagung, Regensburg, 2010
  P. Clodius, H. Jönen, L. Hoffmann, H. Bremers, U. Rossow, and A. Hangleiter
  
• “Scanning near-field luminescence microscopy of green light emitting GaInN/GaN quantum wells grown on c-plane sapphire and on c-plane bulk GaN”, International Symposium on Growth of Nitrides, Montpellier, Juli 2010
  P. Clodius, H. Jönen, H. Bremers, U. Rossow, and A. Hangleiter