In-situ Charakterisierung der MOVPE-Wachstumsdynamik und der Diffusionsmechanismen in Nitriden und deren Einfluss auf die optoelektronischen Eigenschaften von InGaN / AlGaN / GaN-Quantenstrukturen
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts haben wir InGaN/GaN-Mehrfachquantentöpfe (MQWs) untersucht, die zur Herstellung von LEDs und Laserdioden (LDs) verwendet werden, die im blauen und grünen Spektralbereich emittieren. Motivation für das Projekt war es, unser Wissen über zwei wichtige hochtemperaturinduzierte Phänomene zu erweitern, die in den InGaN-MQWs während des p-Typ-Wachstums von GaN auftreten: Homogenisierung und Zersetzung. Beide Phänomene stehen im Zusammenhang mit der Diffusion von Punktdefekten (d. h. Gallium- und Stickstoffvakanzen) aus den Schichten unterhalb der MQWs (d. h. der Unterschicht). Die Forschungsziele umfassten zwei Schritte: A) Aufwachsen der Proben mittels metallorganischer chemischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) unter verschiedenen Wachstumsbedingungen, einschließlich der Nachglühung im MOVPE-Reaktor, und der Ex-situ-Charakterisierung mittels Röntgenbeugung (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Photolumineszenz (PL), B) In-situ-Strukturcharakterisierung durch Röntgenmessungen mit Synchrotronstrahlung während des Wachstums bzw. der Temperung unter Verwendung einer speziell für die In-situ-Röntgenbeugung entwickelten Kammer am KIT Light Source und ex-situ-Charakterisierung mittels dreidimensionaler reziproker Raumkarten (3D-RSMs), ebenfalls unter Verwendung von Synchrotronstrahlung. Im ersten Schritt fand unser Partner vom IHPP heraus, dass eine starke Dotierung mit Si oder Mg in den Quantenbarrieren (QBs) die Zersetzung verhindert (dies wurde bei viel höheren Temperaturen als bei undotierten Proben beobachtet). Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der Dotierung auf die Zersetzung der QWs in Abhängigkeit von der Dotierung in den umgebenden Schichten untersucht. Die Schichten unterhalb und oberhalb der QWs wurden mit Si- oder Mg-Atomen dotiert. Es wurde festgestellt, dass QWs, die von mit Mg dotierten Schichten umgeben waren, sich weniger stark zersetzt wurden als QWs, die von mit Si dotierten Schichten umgeben waren. Dies ging mit einer signifikanten Abnahme der Punktdefektmobilität durch die Bildung von Clustern und Komplexen von Leerstellen durch Mg-Dotierungen einher. Die oben genannten Ergebnisse wurden in zwei Veröffentlichungen beschrieben. Im zweiten Schritt wurden erstmals in situ XRD-Messungen mit Synchrotronstrahlung an der NANO-Beamline der KIT-Lichtquelle durchgeführt, um strukturelle Veränderungen in den InGaN-MQWs bei Temperaturen bis zu 1000oC zu untersuchen. Wir untersuchten Probenreihen, die jeweils MQWs aufweisen, die unter identischen Bedingungen, jedoch mit unterschiedlichem Unterlagermaterial gewachsen sind. Wir variierten: i) die Versetzungsdichte (10^8 cm-2 vs. 10^6 cm-2) durch Verwendung von Saphir und GaN als Substrate, ii) die Dotierung (Si, Mg oder undotiert), iii) die Wachstumstemperatur (790 °C vs. 930 °C) und iv) die chemische Zusammensetzung (InGaN vs. GaN). Die Zunahme der Versetzungen verringerte den Indiumgehalt in InGaN, die Emissionswellenlänge und deren Intensität. Im Gegensatz zur Mg-Dotierung erhöhte der Indiumgehalt die Leuchtkraft. Die In-situ-Messungen ermöglichten es uns, Erkenntnisse über die strukturellen Veränderungen in den InGaN-MQWs während der Erhitzungs- und Abkühlungsprozesse zu gewinnen. Unter Ausnutzung der hohen Brillianz des Synchrotron-Röntgenstrahls aus dem supraleitenden 15-mm-Perioden-Undulator bei NANO führten wir detaillierte reziproke Raumkartierungen (RSM) durch, die zuverlässige Daten zur Untersuchung temperaturinduzierter mikrostruktureller Veränderungen liefert. Bei Temperaturen bis zu etwa 940 °C beobachteten wir eine Homogenisierung, oberhalb von 940 °C eine Zersetzung der QWs. Ergänzende ex-situ-TEM-Messungen an thermisch behandelten QWs zeigten trapezförmige Objekte mit einer amorphen Phase und InGaN-Ausscheidungen mit einem sehr hohen Indiumgehalt. Wir beobachteten auch den Einfluss von Versetzungen und Dotierungen auf InGaN bei beiden Phänomenen. Die In-situ-Messungen haben unser Verständnis der InGaN-Homogenisierung und -Zersetzung sowie des Spannungszustands der Schichten in Abhängigkeit von der Unterschicht unter den MQWs vertieft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Improving thermal stability of InGaN quantum wells by doping of GaN barrier layers. Journal of Alloys and Compounds, 900, 163519.
Lachowski, Artur; Grzanka, Ewa; Grzanka, Szymon; Czernecki, Robert; Grabowski, Mikołaj; Hrytsak, Roman; Nowak, Grzegorz; Leszczyński, Mike & Smalc-Koziorowska, Julita
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Effect of doping of layers surrounding GaN/InGaN multiple quantum wells on their thermal stability. Materials Science in Semiconductor Processing, 166, 107752.
Lachowski, Artur; Grzanka, Ewa; Czernecki, Robert; Grabowski, Mikołaj; Grzanka, Szymon; Leszczyński, Mike & Smalc-Koziorowska, Julita
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In Situ X-Ray Study During Thermal Cycle Treatment Combined with Complementary Ex Situ Investigation of InGaN Quantum Wells. Nanomaterials, 15(2), 140.
Grzanka, Ewa; Bauer, Sondes; Lachowski, Artur; Grzanka, Szymon; Czernecki, Robert; So, Byeongchan; Baumbach, Tilo & Leszczyński, Mike
