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- ItemGrowth and Properties of Intentionally Carbon-Doped GaN Layers(Weinheim : Wiley-VCH, 2019) Richter, Eberhard; Beyer, Franziska C.; Zimmermann, Friederike; Gärtner, Günter; Irmscher, Klaus; Gamov, Ivan; Heitmann, Johannes; Weyers, Markus; Tränkle, GüntherCarbon-doping of GaN layers with thickness in the mm-range is performed by hydride vapor phase epitaxy. Characterization by optical and electrical measurements reveals semi-insulating behavior with a maximum of specific resistivity of 2 × 1010 Ω cm at room temperature found for a carbon concentration of 8.8 × 1018 cm−3. For higher carbon levels up to 3.5 × 1019 cm−3, a slight increase of the conductivity is observed and related to self-compensation and passivation of the acceptor. The acceptor can be identified as CN with an electrical activation energy of 0.94 eV and partial passivation by interstitial hydrogen. In addition, two differently oriented tri-carbon defects, CN-a-CGa-a-CN and CN-a-CGa-c-CN, are identified which probably compensate about two-thirds of the carbon which is incorporated in excess of 2 × 1018 cm−3. © 2019 The Authors. Published by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
- ItemInfluence of Growth Polarity Switching on the Optical and Electrical Properties of GaN/AlGaN Nanowire LEDs(Basel : MDPI, 2021) Reszka, Anna; Korona, Krzysztof P.; Tiagulskyi, Stanislav; Turski, Henryk; Jahn, Uwe; Kret, Slawomir; Bożek, Rafał; Sobanska, Marta; Zytkiewicz, Zbigniew R.; Kowalski, Bogdan J.For the development and application of GaN-based nanowire structures, it is crucial to understand their fundamental properties. In this work, we provide the nano-scale correlation of the morphological, electrical, and optical properties of GaN/AlGaN nanowire light emitting diodes (LEDs), observed using a combination of spatially and spectrally resolved cathodoluminescence spectroscopy and imaging, electron beam-induced current microscopy, the nano-probe technique, and scanning electron microscopy. To complement the results, the photo- and electro-luminescence were also studied. The interpretation of the experimental data was supported by the results of numerical simulations of the electronic band structure. We characterized two types of nanowire LEDs grown in one process, which exhibit top facets of different shapes and, as we proved, have opposite growth polarities. We show that switching the polarity of nanowires (NWs) from the N- to Ga-face has a significant impact on their optical and electrical properties. In particular, cathodoluminescence studies revealed quantum wells emissions at about 3.5 eV, which were much brighter in Ga-polar NWs than in N-polar NWs. Moreover, the electron beam-induced current mapping proved that the p–n junctions were not active in N-polar NWs. Our results clearly indicate that intentional polarity inversion between the n- and p-type parts of NWs is a potential path towards the development of efficient nanoLED NW structures.
- ItemCurrent Status of Carbon‐Related Defect Luminescence in GaN(Weinheim : Wiley-VCH, 2021) Zimmermann, Friederike; Beyer, Jan; Röder, Christian; Beyer, Franziska C.; Richter, Eberhard; Irmscher, Klaus; Heitmann, JohannesHighly insulating layers are a prerequisite for gallium nitride (GaN)-based power electronic devices. For this purpose, carbon doping is one of the currently pursued approaches. However, its impact on the optical and electrical properties of GaN has been widely debated in the scientific community. For further improvement of device performance, a better understanding of the role of related defects is essential. To study optically active point defects, photoluminescence is one of the most frequently used experimental characterization techniques. Herein, the main recent advances in the attribution of carbon-related photoluminescence bands are reviewed, which were enabled by the interplay of a refinement of growth and characterization techniques and state-of-the-art first-principles calculations developed during the last decade. The predicted electronic structures of isolated carbon defects and selected carbon-impurity complexes are compared to experimental results. Taking into account both of these, a comprehensive overview on the present state of interpretation of carbon-related broad luminescence bands in bulk GaN is presented.
- ItemDislocation and indium droplet related emission inhomogeneities in InGaN LEDs(Bristol : IOP Publ., 2021) van Deurzen, Len; Gómez Ruiz, Mikel; Lee, Kevin; Turski, Henryk; Bharadwaj, Shyam; Page, Ryan; Protasenko, Vladimir; Xing, Huili (Grace); Lähnemann, Jonas; Jena, DebdeepThis report classifies emission inhomogeneities that manifest in InGaN quantum well blue light-emitting diodes grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on free-standing GaN substrates. By a combination of spatially resolved electroluminescence and cathodoluminescence measurements, atomic force microscopy, scanning electron microscopy and hot wet potassium hydroxide etching, the identified inhomogeneities are found to fall in four categories. Labeled here as type I through IV, they are distinguishable by their size, density, energy, intensity, radiative and electronic characteristics and chemical etch pits which correlates them with dislocations. Type I exhibits a blueshift of about 120 meV for the InGaN quantum well emission attributed to a perturbation of the active region, which is related to indium droplets that form on the surface in the metal-rich InGaN growth condition. Specifically, we attribute the blueshift to a decreased growth rate of and indium incorporation in the InGaN quantum wells underneath the droplet which is postulated to be the result of reduced incorporated N species due to increased N2 formation. The location of droplets are correlated with mixed type dislocations for type I defects. Types II through IV are due to screw dislocations, edge dislocations, and dislocation bunching, respectively, and form dark spots due to leakage current and nonradiative recombination.
- ItemEffect of Ge-doping on the short-wave, mid- and far-infrared intersubband transitions in GaN/AlGaN heterostructures(Bristol : IOP, 2017) Lim, Carolin B.; Ajay, Akhil; Lähnemann, Jonas; Bougerol, Catherine; Monroy, EvaThis paper assesses the effects of Ge-doping on the structural and optical (band-to-band and intersubband (ISB)) properties of GaN/AlGaN multi-quantum wells (QWs) designed to display ISB absorption in the short-wave, mid- and far-infrared ranges (SWIR, MIR, and FIR, respectively). The standard c-plane crystallographic orientation is considered for wells absorbing in the SWIR and MIR spectral regions, whereas the FIR structures are grown along the nonpolar m-axis. In all cases, we compare the characteristics of Ge-doped and Si-doped samples with the same design and various doping levels. The use of Ge appears to improve the mosaicity of the highly lattice-mismatched GaN/AlN heterostructures. However, when reducing the lattice mismatch, the mosaicity is rather determined by the substrate and does not show any dependence on the dopant nature or concentration. From the optical point of view, by increasing the dopant density, we observe a blueshift of the photoluminescence in polar samples due to the screening of the internal electric field by free carriers. In the ISB absorption, on the other hand, there is a systematic improvement of the linewidth when using Ge as a dopant for high doping levels, whatever the spectral region under consideration (i.e. different QW size, barrier composition and crystallographic orientation).
- ItemControl of the emission wavelength of gallium nitride-based nanowire light-emitting diodes(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2013) Wölz, MartinHalbleiter-Nanosäulen (auch -Nanodrähte) werden als Baustein für Leuchtdioden (LEDs) untersucht. Herkömmliche LEDs aus Galliumnitrid (GaN) bestehen aus mehreren Kristallschichten auf einkristallinen Substraten. Ihr Leistungsvermögen wird durch Gitterfehlpassung und dadurch hervorgerufene Verspannung, piezoelektrische Felder und Kristallfehler beschränkt. GaN-Nanosäulen können ohne Kristallfehler auf Fremdsubstraten gezüchtet werden. Verspannung wird in Nanosäulen elastisch an der Oberfläche abgebaut, dadurch werden Kristallfehler und piezoelektrische Felder reduziert. In dieser Arbeit wurden GaN-Nanosäulen durch Molukularstrahlepitaxie katalysatorfrei gezüchtet. Eine Machbarkeitsstudie über das Kristallwachstum von Halbleiter-Nanosäulen auf Metall zeigt, dass GaN-Nanosäulen in hoher Kristallqualität ohne einkristallines Substrat epitaktisch auf Titanschichten gezüchtet werden können. Für das Wachstum axialer (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen in Nanosäulen wurden quantitative Modelle entwickelt. Die erfolgreiche Herstellung von Nanosäulen-LEDs auf Silizium-Wafern zeigt, dass dadurch eine Kontrolle der Emissionswellenlänge erreicht wird. Die Gitterverspannung der Heterostrukturen in Nanosäulen ist ungleichmäßig aufgrund des Spannungsabbaus an den Seitenwänden. Das katalysatorfreie Zuchtverfahren führt zu weiteren statistischen Schwankungen der Nanosäulendurchmesser und der Abschnittlängen. Die entstandene Zusammensetzung und Verspannung des (In,Ga)N-Mischkristalls wird durch Röntgenbeugung und resonant angeregte Ramanspektroskopie ermittelt. Infolge der Ungleichmäßigkeiten erfordert die Auswertung genaue Simulationsrechnungen. Eine einfache Näherung der mittleren Verspannung einzelner Abschnitte kann aus den genauen Rechnungen abgeleitet werden. Gezielte Verspannungseinstellung erfolgt durch die Wahl der Abschnittlängen. Die Wirksamkeit dieses allgemeingültigen Verfahrens wird durch die Bestimmung der Verspannung von (In,Ga)N-Abschnitten in GaN-Nanosäulen gezeigt.
- ItemGrowth of GaN nanowire ensembles in molecular beam epitaxy: Overcoming the limitations of their spontaneous formation(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Zettler, Johannes KristianDichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm.
- ItemSteps towards a GaN nanowire based light emitting diode and its integration with Si-MOS technology(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2012) Limbach, Friederichhis work is concerned with the realization and investigation of a light emitting diode (LED) structure within single GaN nanowires (NWs) and its integration with Si technology. To this end first a general understanding of the GaN NW growth is given. This is followed by investigations of the influence which doping species, such as Mg and Si, have on the growth of the NWs. The experience gathered in these studies set the basis for the synthesis of nominal p-i-n and n-i-p junctions in GaN NWs. Investigations of these structures resulted in the technologically important insight, that p-type doping with Mg is achieved best if it is done in the later NW growth stage. This implies that it is beneficial for a NW LED to place the p-type segment on the NW top. Another important component of an LED is the active zone where electron-hole recombination takes place. In the case of planar GaN LEDs, this is usually achieved by alloying Ga and In to form InGaN. In order to be able to control the growth under a variety of conditions, we investigate the growth of InGaN in the form of extended segments on top of GaN NWs, as well as multi quantum wells (MQWs) in GaN NWs. All the knowledge gained during these preliminary studies is harnessed to reach the overall goal: The realization of a GaN NW LED. Such structures are fabricated, investigated and processed into working LEDs. Finally, a report on the efforts of integrating III-nitride NW LEDs and Si based metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) technology is given. This demonstrates the feasibility of the monolithic integration of both devices on the same wafer at the same time.
- ItemGrowth, fabrication, and investigation of light-emitting diodes based on GaN nanowires(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2016) Musolino, MattiaDiese Arbeit gibt einen tiefgehenden Einblick in verschiedene Aspekte von auf (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen basierenden Leuchtdioden (LEDs), mittels Molekularstrahlepitaxie entlang der Achse von Nanodrähten (NWs) auf Si Substraten gewachsen. Insbesondere wurden die Wachstumsparameter angepasst, um eine Koaleszierung der Nanodrähte zu vermindern. Auf diese Weise konnte die durch die NW-LEDs emittierte Intensität der Photolumineszenz (PL) um einen Faktor zehn erhöht werden. Die opto-elektronischen Eigenschaften von NW-LEDs konnten durch die Verwendung von Indiumzinoxid, anstatt von Ni/Au als Frontkontakt, verbessert werden. Zudem wurde demonstriert, dass auch selektives Wachstum (SAG) von GaN NWs auf AlN gepufferten Si Substraten mit einer guten Leistungsfähigkeit von Geräte vereinbar ist und somit als Wegbereiter für eine neue Generation von NW-LEDs auf Si dienen kann. Weiterhin war es möglich, strukturierte Felder von ultradünnen NWs durch SAG und thermische in situ Dekomposition herzustellen. In den durch die NW-LEDs emittierten Elektrolumineszenzspektren (EL) wurde eine Doppellinenstruktur beobachtet, die höchstwahrscheinlich von den kompressiven Verspannungen im benachbarten Quantentopf, durch die Elektronensperrschicht verursachten, herrührt. Die Analyse von temperaturabhängigen PL- und EL-Messungen zeigt, dass Ladungsträgerlokalisierungen nicht ausschlaggebend für die EL-Emission von NW-LEDs sind. Die Strom-Spannungs-Charakteristiken (I-V) von NW-LEDs unter Vorwärtsspannung wurden mittels eines Modells beschrieben, in das die vielkomponentige Natur der LEDs berücksichtigt wird. Die unter Rückwärtsspannung aktiven Transportmechanismen wurden anhand von Kapazitätstransientenmessungen und temperaturabhänigigen I-V-Messungen untersucht. Dann wurde ein physikalisches Modell zur quantitativen Beschreibung der besonderen I-V-T Charakteristik der untersuchten NW-LEDs entwickelt.
- ItemGaN Dioden und selbstsperrende GaN Schalttransistoren für effiziente Leistungswandler (GaN Powerswitch) : Verbundprojekt Leistungswandler in GaN-Technologie zur Erschließung ungenutzter Energiepotentiale (PowerGaNPlus) ; im BMBF Verbundvorhaben Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) ; Laufzeit des Vorhabens: 1.06.2010 bis 31.05.2013(Hannover : Technische Informationsbibliothek (TIB), 2014) Hilt, OliverEs wurden GaN-basierte laterale Dioden mit geringer Einsatzspannung und intrinsisch selbstsperrende Transistoren für den Einsatz in Schaltkonvertern realisiert. Transisorergebnisse: - Basierend auf dem p-GaN-Gate Modul wurden selbstsperrende 100 m / 600 V Transistoren mit 1 V Einsatzspannung realisiert. - Durch den Einsatz eines eisendotierten GaN-Puffers konnte die Erhöhung des dynamischen Einschaltwiderstands für das 250 V Schalten auf den Faktor 2.6 reduziert werden. - Die Schaltverluste sind kleiner als für Si-basierte Superjunction MOSFETs. Diodenergebnisse: - Durch die Entwicklung des zurückgesetzten Anodenkontaktes konnten 300 m / 600 V Dioden mit 0.5 V Einsatzspannung realisiert werden. - Die Schaltverluste sind so klein wie bei SiC-basierten HV-Schottkydioden. - Die Dioden wurden erfolgreich im Boost-Konverter (Systemdemonstrator) der Uni Erlangen eingesetzt.