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- ItemTemperature Dependence of Dark Spot Diameters in GaN and AlGaN(Weinheim : Wiley-VCH, 2021) Netzel, Carsten; Knauer, Arne; Brunner, Frank; Mogilatenko, Anna; Weyers, MarkusThreading dislocations in c-plane (Al,Ga)N layers are surrounded by areas with reduced light generation efficiency, called “dark spots.” These areas are observable in luminescence measurements with spatial resolution in the submicrometer range. Dark spots reduce the internal quantum efficiency in single layers and light-emitting devices. In cathodoluminescence measurements, the diameter of dark spots (full width at half maximum [FWHM]) is observed to be 200–250 nm for GaN. It decreases by 30–60% for AlxGa1−xN with x ≈ 0.5. Furthermore, the dark spot diameter increases with increasing temperature from 83 to 300 K in AlGaN, whereas it decreases in GaN. Emission energy mappings around dark spots become less smooth and show sharper features on submicrometer scales at low temperature for AlGaN and, on the contrary, at high temperature for GaN. It is concluded that charge carrier localization dominates the temperature dependence of dark spot diameters and of the emission energy distribution around threading dislocations in AlGaN, whereas the temperature-dependent excitation volume in cathodoluminescence and charge carrier diffusion limited by phonon scattering are the dominant effects in GaN. Consequently, with increasing temperature, nonradiative recombination related to threading dislocations extends to wider regions in AlGaN, whereas it becomes spatially limited in GaN.
- 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.
- ItemDynamics of free and bound excitons in GaN nanowires(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2015) Hauswald, ChristianGaN-Nanodrähte können mit einer hohen strukturellen Perfektion auf verschiedenen kristallinen und amorphen Substraten gewachsen werden. Sie bieten somit faszinierende Möglichkeiten, sowohl zur Untersuchung von fundamentalen Eigenschaften des Materialsystems, als auch in der Anwendung in optoelektronischen Bauteilen. Obwohl bereits verschiedene Prototypen solcher Bauteile vorgestellt wurden, sind viele grundlegende Eigenschaften von GaN-Nanodrähten noch ungeklärt, darunter die interne Quanteneffizienz (IQE), welche ein wichtiges Merkmal für optoelektronische Anwendungen darstellt. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte Untersuchung der Rekombinationsdynamik von Exzitonen, in selbst-induzierten und selektiv gewachsenen GaN Nanodraht-Proben, welche mit Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurden. Die zeitaufgelösten Photolumineszenz (PL)-Experimente werden durch Simulationen ergänzt, welche auf Ratengleichungs-Modellen basieren. Es stellt sich heraus, dass die Populationen von freien und gebundenen Exzitonen gekoppelt sind und zwischen 10 und 300 K von einem nichtstrahlenden Kanal beeinflusst werden. Die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichem Nanodraht-Durchmesser und Koaleszenzgrad zeigt, dass weder die Nanodraht-Oberfläche, noch Defekte als Folge von Koaleszenz diesen nichtstrahlenden Kanal induzieren. Daraus lässt sich folgern, dass die kurze Zerfallszeit von Exzitonen in GaN-Nanodrähten durch Punktdefekte verursacht wird, welche die IQE bei 10 K auf 20% limitieren. Der häufig beobachtete biexponentiellen PL-Zerfall des Donator-gebundenen Exzitons wird analysiert und es zeigt sich, dass die langsame Komponente durch eine Kopplung mit Akzeptoren verursacht wird. Motiviert durch Experimente, welche eine starke Abhängigkeit der PL-Intensität vom Nanodraht-Durchmesser zeigen, wird die externen Quanteneffizienz von geordneten Nanodraht-Feldern mit Hilfe numerischer Simulationen der Absorption und Extraktion von Licht in diesen Strukturen untersucht.
- ItemRecombination dynamics in (In,Ga)N/GaN heterostructures: Influence of localization and crystal polarity(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Feix, Felix Ihbo; Riechert, Henning; Benson, Oliver; O'Reilly, Eoin(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.