ISBN 978-3-8439-0550-3

978-3-8439-0550-3, Reihe Elektrotechnik

Sönke Fündling
Metallorganische Gasphasenepitaxie 3-dimensionaler GaN-Strukturen: eine neue Optimierungsstrategie für LEDs

277 Seiten, Dissertation Technische Universität Braunschweig (2012), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Als eine mögliche Strategie für effiziente Leuchtdioden werden in dieser Arbeit dreidimensionale Galliumnitrid (GaN)-Strukturen erforscht. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Metallorganischen Gasphasenepitaxie (engl.: metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE)) dieser GaN-Strukturen auf Silizium-Substraten, welche neben der Gitterfehlanpassung auch hinsichtlich der thermischen Ausdehnung eine besondere Herausforderung für das Wachstum darstellen. Dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen – insbesondere in einer Kern-Mantel-Struktur - sind dabei besonders interessant, da sie vertikale, unpolare Kristallflächen sowie eine sehr große Oberfläche des aktiven, lichtemittierenden Bereichs bieten.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich mit der MOVPE dreidimensionale Galliumnitrid-Säulen auf Silizium und Saphir ohne die sonst übliche Verwendung metallischer Katalysator-Materialien abscheiden lassen. In Bezug auf Bauelemente-Anwendungen ist das kontrollierte Wachstum dreidimensionaler Galliumnitrid-Strukturen besonders interessant. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass durch geeignete Wahl der Prozessbedingungen der Einfluss der Substratorientierung kompensiert werden kann. Das selektive Wachstum auf Saphir diente als Grundlage für die Modellierung des Einflusses der Maskengeometrie auf die Wachstumsrate der Strukturen. Dabei stellte sich der Materialeintrag auf die für das Wachstum verfügbare Fläche als wesentliche Einflussgröße heraus.

Sowohl für selbstorganisierte als auch für kontrolliert gewachsene Strukturen konnten LEDs mit einem Kern-Mantel-Aufbau realisiert werden, bestehend aus einem n-dotierten Kern, einer Quantentopfstruktur und einer p-dotierten Hülle. Durch Kathodolumineszenzanalyse konnte dies verifiziert werden und es zeigte sich, dass im Einklang mit dem „Quantum-confined Stark Effekt“ an semi- und unpolaren Facetten eine Lumineszenz niedrigerer Wellenlänge gemessen wird.

Neben einer detaillierten Beschreibung der Eigenschaften von Gruppe III-Nitriden und Nanostrukturen werden in Vorbereitung auf die Diskussion der Wachstumsergebnisse die GaN-Epitaxie allgemein beschrieben und Modellierkonzepte zur Epitaxie von GaN-Schichten und -Säulen vorgestellt. In der anschließenden Diskussion der Wachstumsergebnisse wird dieses Thema wieder aufgegriffen und eine Modellierung des selektiven Wachstums auf vorstrukturierten Substraten durchgeführt und mit den entsprechenden Wachstumsergebnissen verglichen.