Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-743254
Mounir, Christian
Schwarz, Ulrich T. ; Kneissl, Michael ; Gemming, Sibylle ; Deibel, Carsten (Gutachter)
Optical polarization and charge carrier density in semipolar and nonpolar InGaN quantum wells in core-shell microrods and planar LEDs
Kurzfassung in deutsch
InGaN-basierte Lichtquellen sind stark von inhomogener Verbreiterung, die aus zufälligen Legierungsfluktuationen entsteht, beeinflusst.Während diese Effekte ausführlich auf die c-Ebene untersucht wurden (z.B. Ladungsträgerlokalisierung bei niedriger Ladungsträgerdichte auf Grund von Potentialfluktuationen, Delokalisierung bei höherer Ladungsträgerdichte), untersuchen wenige Studien den Einfluss von inhomogener Verbreiterung auf die Emissionseigenschaften von semipolarer und nonpolarer InGaN Quantentrögen.
Quantentröge, die entlang semipolaren/nonpolaren Kristallrichtungen gewachsen sind, haben einen höheren Überlapp der Elektron- und Löcherwellenfunktionen und dadurch eine höhere strahlende Rekombinationsrate dank des niedrigen / unterdrückten elektrischen Feldes, das durch Polarizationsdiskontinuitäten an Heteroübergängen entsteht.
Diese Quantentröge haben die interessante Eigenschaft, polariziertes Licht auszustrahlen.
Die Charakterizierung und das theoretische Verständnis von diesen Polarizationseigenschaften ist der erste Schwerpunkt dieser Dissertation.
Umfangreiche temperatur- und anregungsabhängige polarizationsaufgelöste konfokale Mikro-Photolumineszenz Spektroskopie auf planaren semipolaren/nonpolaren Quantentröge und auf die m-Ebene Seitenfacette von Core-Shell Mikrosäulen deuten auf eine Korrelation zwischen der spektralen Breite und dem optischen Polarizationsgrad.
Basirend auf elektronischen Bandstrukturen, die mittels der k·p Hüllfunktionsmethode berechnet werden, wird ein theoretisches Modell entwickelt, um diese Korrelation unter Berücksichtigung der inhomogenen Verbreiterung zu erklären.
In Anbetracht der Fluktuationen des Indiumgehalts und der Lokalisierungslängen von Elektronen und Löchern, werden unterschiedliche effektive Verbreiterungen auf Gruppen von Subbändern angewendet.
Dadurch wird gezeigt, dass bei Raumtemperatur inhomogene Verbreiterung zu einem signifikanten Anstieg des Polarizationsgrads von semipolaren und nonpolaren InGaN/GaN Quantentrögen mit hoher Neigung führt.
Darüber hinaus ist der Polarizationsgrad-Abfall bei höheren Ladungsträgerdichten aufgrund des Übergangs vom Boltzmann- zum Fermi-Regime glatter und beginnt bei niedrigerer Ladungsträgerdichte.
Das Modell wird auch verwendet, um die besonderen Polarizationseigenschaften von (202¯1) InGaN/GaN Quantentrögen im Vergleich zu (202¯1¯) Quantentrögen zu untersuchen.
Durch ihre äquivalenten Bandstrukturen im Rahmen der k·p-Theorie wird erwartet, dass sie ähnliche Polarizationseigenschaften zeigen.
(202¯1) Quantentröge haben jedoch durchweg einen niedrigeren Polarizationsgrad als (202¯1¯) Quantentröge.
Diese Diskrepanz könnte auf unterschiedliche effektive Verbreiterung ihrer Valenz-Subbänder zurückgeführt werden, die durch die rauere obere Quantentrog-Grenzfläche in (202¯1), durch die größere Empfindlichkeit der Löcher gegenüber dieser oberen Grenzfläche aufgrund des Polarizationsfelds in (202¯1) und /oder durch die unterschiedlichen Lokalisierungsgrade der Löcher induziert werden.
InGaN LEDs sind nicht nur stark von inhomogener Verbreiterung beeinflusst, sondern leiden auch unter efficiency droop: Ihr Wirkungsgradmaximum wird bereits bei relativ geringer Stromdichte erreicht und fällt dann deutlich gegenüber ihrer typischen Betriebsbedingungen ab.
Eine Möglichkeit, diesen Effekt abzuschwächen, ist, die Ladungsträgerdichte innerhalb des aktiven Bereichs zu verringern, was über verschiedene Ansätze erreicht werden kann.
Die aktive Region kann zum Beispiel auf einer 3D-Pufferschicht, auf einem semipolaren/nonpolaren Substrat oder auf einer relaxierten InGaN-Pufferschicht gewachsen werden. Die letzten zwei Ansätze reduzieren/unterdrücken das Polarizationsfeld und führen dadurch zu Wellenfunktionen, die eine grössere Überlappung und Ausbreitung über die aktive Region haben.
Damit diese Ansätze überprüft und validiert werden können, ist ein Verfahren erforderlich, um die Ladungsträgerdichte innerhalb der aktiven Region zu bestimmen.
Diese komplexe Aufgabe, die den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet, erfordert die Anpassung eines Modells der Ladungsträgerrekombinationsdynamik an experimentellen Daten.
Die meisten Methoden, die bereits zur Verfügung stehen, nutzen das einfache ABC-Modell.
Die Gültigkeit dieses Modells wird durch Messung von Effizienzkurven auf verschiedenen Proben diskutiert und erweitert, um die Hintergrungladungsträgerdichte bei niedriger Ladungsträgerdichte und Bandfüllung bei hoher Ladungsträgerdichte zu berücksichtigen.
Der Polarizationsgrad-Abfall gegen hohe Ladungsträgerdichten wird gleichzeitig mit der Effizienzkurve angepasst, um das Bestimmen der Rekombinationskoeffizienten zu verbessern.
Es ist jedoch sehr kritisch, alle Rekombinationskoeffizienten eindeutig zu bestimmen, ohne zeitaufgelöste experimentelle Daten zu berücksichtigen.
Da zeitaufgelöste Messungen komplex und zeitaufwändig sind, wird eine neue Methode vorgeschlagen, die auf Bias-abhängiger Photolumineszenzspektroskopie bei Raumtemperatur und auf einem erweiterten ABC-Modell basiert.
Bei der Untersuchung semipolarer/nonpolarer LEDs ermöglicht diese Methode das Bestimmen der Ladungsträgerdichte innerhalb der aktiven Region, ohne zeitaufgelöste Messungen durchführen zu müssen.
Dies wird anhand polarizationsaufgelöster Effizienzkurven auf einer m-Ebene LED demonstriert.
Das Wachsen der aktiven Region auf 3D-Pufferschichten zur Verringerung der lokalen Ladungsträgerdichte erfordert für ihre Charakterisierung experimentelle Techniken mit hoher räumlicher Auflösung.
Diese Arbeit berichtet über das experimentelle Know-how, das durch die Charakterisierung einzelner InGaN/GaN Core-Shell Mikrosäulen erworben wurde.
Eine gründliche Beschreibung des konfokalen Mikroskops und seiner Ausrichtung ist gegeben, um reproduzierbare polarizationsaufgelöste Photolumineszenzmessungen mit beugungsbegrenzter räumlicher Auflösung zu erreichen, die die ersten lokalen internen Quanteneffizienzmessungen entlang der Seitenfacette von InGaN/GaN Core-Shell Mikrosäulen ermöglichte.
Kurzfassung in englisch
InGaN-based light emitters are strongly affected by the inhomogeneous broadening induced by random alloy fluctuations.While these effects have been extensively investigated on c-plane (e.g. localization of carriers at low carrier density due to potential fluctuations, delocalization at higher carrier density), much fewer work report on the impact of inhomogeneous broadening on the emission properties of semipolar and nonpolar InGaN quantum wells (QWs).
In addition to have a higher electron- and hole-wavefunction overlap and thereby an increased radiative recombination rate thanks to the reduced/suppressed built-in electric field due to polarization discontinuities at heterointerfaces, QWs grown along semipolar/nonpolar crystal orientations have the interesting property to emit polarized light.
The characterization and theoretical understanding of their optical polarization properties is the first main focus of this thesis.
A correlation between spectral width and degree of linear polarization (DLP) is highlighted through extensive temperature- and excitation-dependent polarization-resolved confocal micro-photoluminescence spectroscopy carried out on planar semi-polar/nonpolar QWs and on the m-plane side facet of core-shell microrods.
A theoretical model based on electronic band structure calculated by the kp-envelope function method is developed to explain this correlation by taking inhomogeneous broadening into account.
Considering indium content fluctuations and the localization lengths of electrons and holes, different effective broadenings are applied to groups of subbands.
It is shown that for high-inclination semipolar and nonpolar InGaN/GaN QWs inhomogeneous broadening leads to a significant increase of the DLP at room temperature. Furthermore, the DLP-drop towards high carrier density due to the transition from the Boltzmann- to the Fermi-regime is smoother and starts at lower carrier density.
The model is also used to study the peculiar polarization properties of (202¯1) InGaN/GaN QWs compared to (202¯1¯) QWs: although they have equivalent band structures in the framework of k·p-theory and are therefore expected to have identical optical polarization properties, (202¯1) QWs consistently exhibit a lower DLP than (202¯1¯) QWs.
This discrepancy might be related to different effective broadenings of their valence subbands induced by the rougher upper QW interface in (202¯1), by the larger sensitivity of holes to this upper interface due to the polarization field in (202¯1), and/or by the different degrees of localization of holes.
Besides being strongly affected by inhomogeneous broadening, InGaN-based LEDs suffer from efficiency droop: their efficiency maximum is already reached at relatively low current density and then significantly drops towards their typical operation conditions.
One way to mitigate its effect is to reduce the carrier density inside the active region, which can be achieved via several approaches, e.g. growing the active region on a 3D template, on a semipolar/nonpolar substrate or a relaxed InGaN template.
The last two approaches reduce/suppress the built-in polarization field leading to wavefunctions with larger overlap and spread across the active region.
In order to check and validate these approaches, a way to measure the carrier density inside the active region is necessary.
This complex task, which is the second focus of this work, requires fitting a model of the carrier recombination dynamics to experimental data.
Several methods are already available, which are mostly based on the basic ABC-model.
The validity of this model is discussed through measurement of efficiency curves on various samples and extended to take into account the background carrier density at low carrier density and band-filling at high carrier density.
The DLP drop towards high carrier density is fitted simultaneously with the efficiency curve to improve the robustness of the extraction of recombination coefficients.
Nevertheless, without insights from time-resolved experimental data, extracting all recombination coefficients is shown to be very critical leading to ambiguous fitting results.
Time-resolved measurements being complex and time-consuming, a new method based on an extended ABC-model and room-temperature bias-dependent photoluminescence spectroscopy is proposed.
When investigating semipolar/nonpolar LEDs, this method allows to extract the carrier density within the active region without having to carry out time-resolved measurements, which is demonstrated using polarization-resolved efficiency curves measured on a m-plane LED.
Growing the active region on 3D templates to reduce the local carrier density requires eventually experimental techniques with high spatial resolution for its characterization.
This work reports the experimental know-how acquired through extensive characterization of single InGaN/GaN core-shell microrods.
A thorough description of the confocal microscope and its alignment is given to achieve reproducible and diffraction limited spatial resolution polarization-resolved photoluminescence measurements, which allowed the first local internal quantum efficiency measurement along the side facet of InGaN/GaN core-shell microrods.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Experimentelle Sensorik | |
| Fakultät: | Fakultät für Naturwissenschaften | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Schwarz, Ulrich T. | |
| SWD-Schlagwörter: | Optoelektronik , Lumineszenzdiode , Optische Spektroskopie | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | III-nitrides , quantum well , semipolar/nonpolar , optische polarization , charge carrier density , core-shell microrods , light-emitting diode , confocal micro-photoluminescence | |
| DDC-Sachgruppe: | 621.381045, 621.381522, 543.5 | |
| Sprache: | englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 14.12.2020 |
