Strategien zur Reduzierung intrinsischer elektrischer Felder in nitridischen Lichtemittern

Das Materialsystem der Nitride ist der Grundstein für alle gängigen Halbleiterdioden und Laserdioden im blauen und grünen Spektralbereich. Durch die Entwicklung einer geeigneten p-Dotierung für GaN im Jahre 1989 und dem Verständnis der Passivierung der Dotanden durch Wasserstoff im Jahre 1992 wurde das fehlende Glied aufgedeckt, welches den Nitriden die ganze Welt der elektrischen Halbleiterbauteile öffnete. Heutzutage sind hocheffiziente blaue Emitter weit verbreitet, jedoch weisen grüne LEDs im Vergleich weit geringere Emissionseffizienten auf. Verantwortlich hierfür ist der sogenannten Quantenmechanischen Stark-Effekt (QCSE). Wissenschaftler kämpfen nun seit Jahren den grünen Spektralbereich mit den Nitriden zu erschließen. Jedoch bedingt eine Asymmetrie des Kristallgitters die Entstehung intrinsischer elektrischer Felder in Heterostrukturen, die die Emissionseffizienz nitridischer Lichtemitter stark absenken, je weiter sich die Emission dem grünen Spektralbereich nähert.

In dieser Arbeit werden zwei Strategien zur Reduzierung der intrinsischen elektrischen Felder verfolgt. Zum einen werden pyramidalen GaN-Strukturen verwendet, um semipolare Wachstumsebenen herzustellen, die als Wachstumsfläche für aktive InGaN-Schichten dienen. Die Verwendung spezieller Kristallorientierungen führt zu einer Reduzierung der elektrischen Felder und zu einer Steigerung der Emissionseffizienz der Lichtemitter. Jedoch spielen Defekte, die durch das SAG-Wachstum erzeugt werden, eine wichtige Rolle für die Emissionscharakteristik der Strukturen. Die Vermeidung dieser Defekte, sowie die Evaluation der Reduzierung des elektrischen Feldes stehen im Vordergrund des ersten Teils dieser Arbeit.

Die zweite Strategie, die in dieser Arbeit zur Reduzierung des QCSE verwendet wird, basiert auf metamorphen Barrieren. Es wird der Versuch unternommen auf c-planarem GaN direkt Einfluss auf das elektrische Feld zu nehmen. Hierfür werden metamorphe Barrieren in die Heterostruktur eingeführt. Die Verwendung dieser Schichten erlaubt es die Verspannungssituation und die Bandlücke des Kristalls unabhängig voneinander zu beeinflussen. Hierdurch kann das elektrische Feld räumlich entfernt von der aktiven Schicht abfallen und der Einfluss auf die Emissionscharakteristik minimiert werden. Die Analyse dieser Methode, sowie die direkte Bestimmung des elektrischen Feldes durch die moderne Methode der differentielle Phasenkontrastmikroskopie stehen im Vordergrund des zweiten Teils dieser Arbeit.