Einfluß von Stickstoff auf die Photolumineszenz von metastabilen III-V-Nitriden

Sowohl in der Grundlagenforschung als auch auf dem Sektor der Optoelektronik hat sich in den letzten Jahren die Gruppe der verdünnt stickstoffhaltigen III-V-Halbleiter etabliert. Insbesondere das metastabile Materialsystem (GaIn)(NAs) ist aufgrund seines enormen Anwendungspotentials in den Bereichen...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Hantke, Kristian
Beteiligte: Rühle, W. W. (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2005
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Beschreibung
Zusammenfassung:Sowohl in der Grundlagenforschung als auch auf dem Sektor der Optoelektronik hat sich in den letzten Jahren die Gruppe der verdünnt stickstoffhaltigen III-V-Halbleiter etabliert. Insbesondere das metastabile Materialsystem (GaIn)(NAs) ist aufgrund seines enormen Anwendungspotentials in den Bereichen optoelektronisch integrierte Schaltkreise, Photovoltaik und Telekommunikation interessant. In der vorliegenden Arbeit werden vor allem die materialspezifischen, optischen Eigenschaften von (GaIn)(NAs) erforscht. Das zentrale Meßverfahren ist die zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie, wobei die Testschichten mit einem Kurzpulslaser optisch angeregt und die emittierten Signale mit einer Streakkamera detektiert werden. Alle hier untersuchten Proben wurden im selben Reaktor mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsen, um für die Analyse eine Trennung zwischen materialspezifischen und wachstumsabhängigen Eigenschaften zu gewährleisten. In Voruntersuchungen wird gezeigt, daß (GaIn)(NAs) nicht als reine Superposition der ternären Halbeiterverbindungen (GaIn)As und Ga(NAs) verstanden werden kann. Vor allem bei der Probennachbehandlung (Tempern, Hydrogenieren) treten völlig neuartige Effekte auf. Ein phänomenologisches Modell führt die dichte- und temperaturabhängigen, zeitaufgelösten PL-Daten zurück auf die Konkurrenz zwischen der strahlenden Rekombination, der Lokalisierung der Ladungsträger in stickstoffinduzierten Zuständen und der durch energetisch tiefliegende Störstellen verursachten, nichtstrahlenden Rekombination. Im Rahmen eines Hopping-Modells, das die Lokalisierung und Unordnung in Halbleitern beschreibt, wird zur Quantifizierung der Effekte neben einem analytisch lösbaren Ratengleichungsmodell vor allem eine kinetische Monte-Carlo-Simulation verwendet. Der Vergleich von Experiment und Theorie liefert eine einfache Exponentialform für die Zustandsdichte lokalisierter Zustände und bestätigt, daß die typische Energieskala der Lokalisierung nach dem Hydrogenieren oder Tempern vermindert ist. Bei der Untersuchung von für die Anwendung in Solarzellen optimierten (GaIn)(NAs)-Epischichten zeigt sich, daß die p-dotierten Schichten eine höhere Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge als n-dotiertes (GaIn)(NAs) haben. Aufgrund der Ergebnisse sollte für eine bessere Quantenausbeute der Solarzellen bei der Planung auf einen „p-on-n“-Aufbau, auf ein obligatorisches Tempern der Schichten und auf den Vorzug von Trimethylgallium als Galliumquelle während des Wachstums geachtet werden. Zudem zeigen die Epischichten nach intensiver Bestrahlung ein optimiertes Emissionsverhalten, das auf ein laserinduziertes Ausheilen von Defekten zurückgeführt wird. In einem letzten Schritt resultiert aus dem erfolgreichen Vergleich von zeitaufgelöster PL, photomodulierter Reflexion und mikroskopischer Vielteilchentheorie ein detailliertes Verständnis über den Typ-I-Typ-II-Übergang in einer (GaIn)As/Ga(NAs)-Heterostruktur. Es ergeben sich nicht nur materialspezifische Informationen wie die temperaturabhängige Bandlückenenergie, das vom Stickstoffgehalt abhängige Wechselwirkungspotential und die Bandoffsets von Ga(NAs)/GaAs bzw. (GaIn)As/Ga(NAs), sondern auch die theoretisch verstandene, allgemeine Dichteabhängigkeit der PL-Internsität und Lebensdauer.