Figure 2 - uploaded by Mattia Musolino
Content may be subject to copyright.
Source publication
This PhD thesis provides an in-depth insight on various crucial aspects of light-emitting diodes (LEDs) based on (In,Ga)N/GaN heterostructures grown along the axis of nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy on Si substrates. In particular, the growth parameters are adjusted so as to suppress the coalescence of NWs; in this way the photoluminescen...
Citations
... An aperture limits the direction of the incoming beams. Adapted from [83]. ...
In dieser Arbeit wurden die komplexen Mechanismen für den Einbau von Mg und In in (Ga,In)N/GaN(0001)-Heterostrukturen, die mittels PA-MBE hergestellt wurden, mit morphologischen, optischen und elektrischen Charakterisierungsmethoden untersucht. Darüber hinaus wurde die Verwendung von (Ga,In)N/GaN SPSLs als HIL oder als aktiver Bereich in herkömmlichen LED-Strukturen untersucht. In-situ-Messungen zeigten, dass die Desorption von In in Gegenwart von N und Mg auf der GaN(0001)-Oberfläche zunimmt. Ferner wurden Mg-dotierte (Ga,In)N/GaN-SLs mittels PAMBE gezüchtet und mittels QMS, XRD und SIMS charakterisiert. Die (Ga,In)N/GaN-SLs zeigten eine bessere Oberflächenmorphologie als die (Ga,In)N-Schichten, die homogen mit Mg dotiert wurden. Jedoch wurde eine deutliche Abnahme des In-Gehalts in der (Ga,In)N ML festgestellt, wenn Mg gleichzeitig mit In zugeführt wurde. Gleichzeitig nahm die Mg-Konzentration in Gegenwart von In zu, was möglicherweise auf eine Wirkung als oberflächenaktive Substanz zurückzuführen ist. Für das SL, bei dem nur die (Ga,In)N-QWs mit Mg dotiert waren, wurde vom Messergebnis von SIMS eine maximale Mg-Konzentration von 2,6 × 1022 cm-3 für eine 1 ML dicke (Ga,In)N:Mg-Schicht deduziert. Zusätzlich haben andere Experimente ähnliche Ergebnisse aufgezeigt. Thermoleistung-Studien zeigten, dass das Delta-dotierte SL und die SL-Strukturen mit Mg-Dotierung in 20% der QB p-leitfähig sind. Zusätzlich wurde ein Gleichrichterverhalten der (Ga,In)N/GaN SL-Strukturen mit einem Idealitätsfaktor von weniger als 10 für die QW-dotierten SLs demonstriert. Ausgehend von der elektrischen Charakterisierung wurden drei verschiedene LED-Strukturen, die auf den vielver-sprechendsten Mg-dotierten (Ga,In)N SL-Strukturen (Delta-dotiertes SL und 20% QB-dotiertes SL) basierten, hergestellt und charakterisiert.
... [354,399,400] They are also consistent with the peak EQE of 0.055 % measured for LEDs that have been fabricated from nanowire ensembles comparable to the one investigated in this thesis. [401] An alternative and more reliable method to quantitatively investigate the IQE as well as carrier diffusion is the analysis of the PL transient recorded with time-correlated single photon counting over a time interval sufficient to yield a high dynamic range in intensity. For both (In,Ga)N/GaN(0001) QWs and (In,Ga)N/GaN(0001) QDs, a power law decay is observed, reflecting that recombination occurs between individual electrons and holes with different spatial separation. ...
(In,Ga)N/GaN-Leuchtdioden wurden vor mehr als 10 Jahren kommerzialisiert, dennoch ist das Verständnis über den Einfluss von Lokalisierung auf die Rekombinationsdynamik in den (In,Ga)N/GaN Quantengräben (QG) unvollständig. In dieser Arbeit nutzen wir die temperaturabhängige stationäre und zeitaufgelöste Spektroskopie der Photolumineszenz (PL), um diesen Einfluss in einer typischen Ga-polaren, planaren (In,Ga)N/GaN-QG-Struktur zu untersuchen. Zusätzlich dehnen wir unsere Studie auf N-polare, axiale (In,Ga)N/GaN Quantumscheiben, nichtpolare Kern/Mantel GaN/(In,Ga)N µ-Drähte und Ga-polare, submonolage InN/GaN Übergitter aus. Während wir einen einfach exponentiellen Abfall der PL-Intensität in den nichtpolaren QG beobachten (Hinweise auf die Rekombination von Exzitonen), folgen die PL-Transienten in polaren QG asymptotisch einem Potenzgesetz. Dieses Potenzgesetz weist auf eine Rekombination zwischen individuell lokalisierten, räumlich getrennten Elektronen und Löchern hin. Für einen solchen Zerfall kann keine eindeutige PL-Lebensdauer definiert werden, was die Schätzung der internen Quanteneffizienz und die Bestimmung einer Diffusionslänge erschwert. Um nützliche Rekombinationsparameter und Diffusivitäten für die polaren QG zu extrahieren, analysieren wir die PL-Transienten mit positionsabhängigen Diffusionsreaktionsgleichungen, die durch einen Monte-Carlo-Algorithmus effizient gelöst werden. Aus diesen Simulationen ergibt sich, dass das asymptotische Potenzgesetz auch bei effizienter nichtstrahlender Rekombination (z. B. in den Nanodrähten) erhalten bleibt. Zudem stellen wir fest, dass sich die InN/GaN Übergitter elektronisch wie konventionelle (In,Ga)N/GaN QG verhalten, aber mit starkem, thermisch aktiviertem nichtstrahlenden Kanal. Des Weiteren zeigen wir, dass das Verhältnis von Lokalisierungs- und Exzitonenbindungsenergie bestimmt, dass die Rekombination entweder durch das Tunneln von Elektronen und Löchern oder durch den Zerfall von Exzitonen dominiert wird.
... These values are consistent with the low EQEs reported for (In,Ga)N/GaN(0001)-based nanowire LEDs [22,74,75]. They are also consistent with the peak EQE of 0.055% measured for LEDs that we have fabricated from nanowire ensembles comparable to the one investigated in the present work [76]. ...
We investigate the radiative and nonradiative recombination processes in planar (In,Ga)N/GaN(0001) quantum wells and (In,Ga)N quantum disks embedded in GaN$(000\bar{1})$ nanowires using photoluminescence spectroscopy under both continuous-wave and pulsed excitation. The photoluminescence intensities of these two samples quench only slightly between 10 and 300 K, which is commonly taken as evidence for high internal quantum efficiencies. However, a side-by-side comparison shows that the absolute intensity of the Ga-polar quantum wells is two orders of magnitude higher than that of the N-polar quantum disks. A similar difference is observed for the initial decay time of photoluminescence transients obtained by time-resolved measurements, indicating the presence of a highly efficient nonradiative decay channel for the quantum disks. In apparent contradiction to this conjecture, the decay of both samples is observed to slow down dramatically after the initial rapid decay. Independent of temperature, the transients approach a power law for longer decay times, reflecting that recombination occurs between individual electrons and holes with varying spatial separation. Employing a coupled system of stochastic integro-differential equations taking into account both radiative and nonradiative Shockley-Read-Hall recombination of spatially separate electrons and holes as well as their diffusion, we obtain simulated transients matching the experimentally obtained ones. The results reveal that even dominant nonradiative recombination conserves the power law decay for (In,Ga)N/GaN{0001} quantum wells and disks.
... In content of about 25%, separated by three GaN barriers. The In content in the QWs has been estimated through the analysis of the In desorption from the sample during the growth, measured in situ by means of line-of-sight quadrupole mass spectrometry [22], and further confirmed by ex situ x-ray diffraction measurements [23,24]. The last QW is immediately followed by a Mg-doped (Al, Ga)N electron blocking layer. ...
... Figures 1(g)-(i) show respectively a schematic, a cross-sectional SEM micrograph, and a photo camera image of the final device. Further details about the growth parameters as well as the fabrication process can be found in our previous publications [21,23]. ...
In this work we study how the multi-element nature of light emitting diodes (LEDs) based on nanowire (NW) ensembles influences their current voltage (I-V) characteristics. We systematically address critical issues of the fabrication process that can result in significant fluctuations of the electrical properties among the individual NWs in such LEDs, paying particular attention to the planarization step. Electroluminescence (EL) maps acquired for two nominally identical NW-LEDs reveal that small processing variations can result in a large difference in the number of individual nano-devices emitting EL. The lower number of EL spots in one of the LEDs is caused by its inhomogeneous electrical properties. The I-V characteristics of this LED cannot be described well by the classical Shockley model. We are able to take into account the multi-element nature of such LEDs and fit the I-V characteristics in the forward bias regime by employing an ad hoc adjusted version of the Shockley equation. More specifically, we introduce a bias dependence of the ideality factor. The basic considerations of our model should remain valid also for other types of devices based on ensembles of interconnected p-n junctions with inhomogeneous electrical properties, regardless of the employed material system.
