2020, Netzel, Carsten, Hoffmann, Veit, Tomm, Jens W., Mahler, Felix, Einfeldt, Sven, Weyers, Markus

Temperature-dependent transport of photoexcited charge carriers through a nominally undoped, c-plane GaN layer toward buried InGaN quantum wells is investigated by continuous-wave and time-resolved photoluminescence spectroscopy. The excitation of the buried InGaN quantum wells is dominated by charge carrier diffusion through the GaN layer; photon recycling contributes only slightly. With temperature decreasing from 310 to 10 K, the diffusion length in [0001⎯⎯] direction increases from 250 to 600 nm in the GaN layer. The diffusion length at 300 K also increases from 100 to 300 nm when increasing the excitation power density from 20 to 500 W cm−2. The diffusion constant decreases from the low-temperature value of ∼7 to 1.5 cm2 s−1 at 310 K. The temperature dependence of the diffusion constant indicates that the diffusivity at room temperature is limited by optical phonon scattering. Consequently, higher diffusion constants in GaN-based devices require a reduced operation temperature. To increase diffusion lengths at a fixed temperature, the effective recombination time has to be prolonged by reducing the number of nonradiative recombination centers.

2022, Tadmor, Liad, Brusaterra, Enrico, Treidel, Eldad Bahat, Brunner, Frank, Bickel, Nicole, Vandenbroucke, Sofie S. T., Detavernier, Christophe, Würfl, Joachim, Hilt, Oliver

The chemical, physical and electrical properties and the robustness of post metallization annealed Al2O3 atomic layers deposited on n-type GaN are investigated in this work. Planar metal insulator capacitors are used to demonstrate a gate-first with following ohmic contacts formation at elevated temperature up to 600 °C process flow. X-ray photoelectron spectroscopy indicates that no new bonds in the Al2O3 layer are formed due to exposure to the elevated annealing temperature. X-ray diffraction measurements show no crystallization of the oxide layer. Atomic force microscopy shows signs of degradation of the sample annealed at 600 °C. Electrical measurements indicate that the elevated annealing temperature results in an increase of the oxide depletion and the deep depletion capacitances simultaneously, that results in a reduction of the flat band voltage to zero, which is explained by fixed oxide charges curing. A forward bias step stress capacitance measurement shows that the total number of induced trapped charges are not strongly affected by the elevated annealing temperatures. Interface trap density of states analysis shows the lowest trapping concentration for the capacitor annealed at 500 °C. Above this temperature, the interface trap density of states increases. When all results are taken into consideration, we have found that the process thermal budget allows for an overlap between the gate oxide post metallization annealing and the ohmic contact formation at 500 °C.

2013, Wölz, Martin

Halbleiter-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.

2018, Zettler, Johannes Kristian

Dichte 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.