Optical and structural properties of (Al, Ga, In) N structures

Over the last three decades, tremendous research efforts have been made to develop more efficient group III-Nitride based light sources for a wide range of applications. Among those, GaInN-based light emitting diodes have been extensively developed for targeting modern solid-state lighting. An external quantum efficiency of close to unity has been demonstrated recently. However, a significant drop of efficiency has been observed for longer emission wavelength, as well as under higher current injection. A thorough understanding of those loss mechanisms in the efficiency remains an open question in the nitride community, though. The objective of this work is to explore the optical properties of AlGaInN/GaN heterostructures to better understand the main mechanisms of recombination, as well as the fundamental optical properties of these structures by steady state photoluminescence (PL) spectroscopy. In the first part of this work, the low-temperature PL intensities of a range of GaInN/GaN quantum wells under otherwise identical conditions are compared. Normalizing the measured intensity to the absorbed power density in the quantum wells, the PL efficiencies of several samples are found to be identical, and the 100% internal quantum efficiency (IQE) can be assessed by time-resolved photoluminescence for those samples. The results confirm the assumption of 100% IQE at low temperature for those efficient samples, but also allow to estimate the absolute IQE of arbitrary samples. Furthermore, a drastic reduction of the low-temperature efficiency is found for samples with higher defect density due to Ar ion implantation. The results open up a perspective to take the loss mechanisms at low temperatures into account in the assessment of the IQE, which might help understanding the limiting factors in the efficiency of those structures. In addition, the dependence of the low-temperature efficiency on the GaN cap thickness is explained using a classical model, where the interference of the reflected light at the surface and the directed emitted light is treated carefully by considering the optical path difference and phase shift on the reflection. The second part focuses on the optical polarization properties of semipolar (11-22) AlInN/GaN layers. Polarization-resolved PL measurements showed a dominant polarization along the[11-2-3] and a less signal along the [1-100] direction. In general, a decrease of the polarization degree is observed with increasing of the degree of strain relaxation in the [1-100] direction for semipolar (11-22) AlInN/GaN samples considered in this thesis. From a theoretical model based on a k.p calculation, on the other hand, the calculated valence band (VB) indicated that AlInN has a similar VB structure like in AlN, where the the topmost valence band is the C band, followed by the A band, for a wide range of compositions. A small energy splitting of about 23 meV between the two uppermost VBs is found for sample C, which results in considerable hole distribution to the second VB A at room temperature. From this, the experimentally observed energy splitting of about 18 meV at 300 K between the two in-plane polarization components is reasonably explained. The observed trend of decreasing of the polarization degree with increasing of the strain relaxation is predicted with the model by combining calculated transition matrix elements and the thermal occupation of the second upper band A. It should be pointed out that both experimental and theoretical results bring strong evidence that AlInN has the VB order like AlN. Beside of that, the large scattering of band gap and the strong Stokes shift in AlInN layers are explained using the obtained optical selection rules for AlInN. The results would help clarifying the existing confusion about the fundamental optical properties of AlInN. Another focus of this work is to study the emission spectrum of quantum dots (QDs) embedded in pyramids etched from N-face GaInN/GaN QWs by micro-PL spectroscopy. A very sharp narrow emission line with the linewidth of around 2 meV is observed, which can be ascribed to a single dot embedded in a pyramid. From the linear and quadratic power dependencies of two adjacent lines, the ground exciton and biexciton states of a single QD are identified. Additionally, small negative biexciton binding energies between -4.7 meV and -5.8 meV are observed for different QDs, which brings the evidence of the presence of the strong Coulumb repulsive interactions between the four charged particles confined in a QD under strong piezoelectric fields. Finally, some additional information about the etching depth as well as the lateral extension of the pyramid are obtained from the energy difference of two adjacent emission lines originating from two dots embedded in a single pyramid. The energy difference between the two dots is estimated using a simple model based on a single particle in a cylindrical disk.
In den letzten drei Jahrzehnten wurden außerordentliche Forschungsbemühungen unternommen, die Effizienz von Lichtquellen, die auf Gruppe-III-Nitriden basieren, in einem weiten Bereich zu verbessern. Hierunter zählt die Entwicklung GaInN-basierter LEDs zur modernen Festkörperbeleuchtung. Eine externe Quanteneffiziens von nahezu eins wurde vor kurzem realisiert. Jedoch wurde für länger Emissionswellenlängen als auch höheren Einspeisungsströmen ein signifikanter Verlust in der Effizienz beobachtet. Ein vollständiges Verständnis dieser Verlustmechanismen in der Effizienz verbleibt eine ungeklärte Frage in der Gruppe-III-Nitride-Forschung. Das Anliegen dieser Arbeit ist die Erforschung der Eigenschaften von Al-GaInN/GaN Heterostrukturen zum besseren Verständnis der Hauptmechanismen von Recombination und der fundamentalen optischen Eigenschaften dieser Strukturen durch steady state Photoluminiszent-Spektroskopie (PL). Im ersten Teil dieser Arbeit werden die tieftemperatur PL Intensitäten einer Reihe von GaInN/GaN Quantentöpfen (quantum wells) unter ansonsten gleichen Bedingungen verglichen. Wird die gemessene Intensität bezüglich der absorbierten Leistung in den Quantentöpfen normiert, sind die PL-Effizienzen einiger Proben identisch und die 100% interne Qunateneffizienz (IQE) kann durch zeitaufgelöste Photoluminiszenz für diese Proben untersucht werden. Die Resultate bestätigen die Annahme der 100% IQE bei tiefen Temperaturen für diese effizienten Proben, erlaubt aber auch die Abschätzung der absoluten IQE von beliebigen Proben. Außerdem wurde eine dramatische Reduktion der Tieftemperatureffizienz für Proben mit höherer Defektdichte aufgrund von Argornioneneinpflanzung gefunden. Diese Resultate erauben es, perspektivisch die Verlustmechanismen in der Einschätzung der IQE bei tiefen Temperaturen in Betracht zu ziehen. Dies hilft beim Verständniss der limitierenden Faktoren für die Effizienz in diesen Strukturen. Zusätzlich dazu wird die Abhängigkeit der Tieftemperatureffizienz von der GaN-Kappendicke (cap thickness) durch ein klassisches Modell erklärt, welches die Interferenz zwischen reflektiertem und dem geleiteten emittierten Lichts durch Einbeziehung des optischen Gangunterschieds und Phasensprungs durch die Reflektion einbezieht. Der zweite Teil beschreibt die optische Polarisation von semipolarem (11-22)-AlInN/GaN-Schichten. Polarisationaufgelöste PL-Messungen zeigen einen dominante Polarisation entlang der [11-23] und ein geringeres Signal entlang der [1-100] Richtung. Im Allgemeinen wird eine Reduzierung des Polarisationsgrades mit einer einhergehenden Erhöhung der Spannungspolarisation in der [1-100] Richtung für die in dieser Arbeit untersuchten semipolaren (11-22)-AlInN/GaN-Proben beobachtet. Das aus einem theoretischen Modell, welches auf k.p Rechnungen beruht, berechnete Valenzband (VB) legt jedoch nahe, dass AlInN eine ähnliche VB-Struktur wie AlN hat. In diesem ist das höchstliegende VB das C-Band, gefolgt vom A-Band für eine weiten Bereich von Zusammensetzungen. Es wurde eine kleine Energieaufspaltung von 23 meV zwischen den beiden höchstliegenden Valenzbändern in Probe C gefunden, was zu erheblicher Löcherumverteilung auf das zweite A-VB bei Raumtemperatur führt. Dadurch wird die experimentell ermittelte Energieaufspaltung von 18 meV bei 300 K zwischen den beiden flächenpolarisierten Komponenten zufriedenstellend erklärt. Der beobachtete Trend der Reduzierung des Polarisationsgrades mit ansteigender Spannungsrelaxation wird durch das Modell durch Kombination der berechneten Übergangsmatrixelementen und der thermischen Besetzung des zweiten oberen A-Bandes vorhergesagt. Es sei erwähnt das sowohl die experimentellen als auch theoretischen Ergebnisse starke Hinweise darauf geben, dass AlInN dieselbe VB-Ordnung wie AlN hat. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Emissionsspektrums von Quantenpunkten (QDs) in Pyramiden, die aus N-flächigen GaInN/GaN QWs geätzt wurden, mittels Mikro-PL-Spektroskopie. Es wird eine sehr scharfe, schmale Emissionslinie mit einer Linienbreite von etwa 2 meV beobachtet, die einem einzelnen Punkt einer Pyramide zugeschrieben werden kann. Aus den linearen und quadratischen Leistungsabhängigkeiten zweier benachbarter Linien lassen sich die Grundexzitonen- und Biexzitonen-Zustände eines einzelnen QD identifizieren. Darüber hinaus werden kleine negative Biexzitonen-Bindungsenergien zwischen -4.7 meV und -5.8 meV für verschiedene QDs beobachtet. Diese weisen auf das Vorhandensein starker Coulomb'scher Abstoßungswechselwirkungen zwischen den vier geladenen Teilchen hin, die in einem QD unter starken piezoelektrischen Feldern eingeschlossen sind. Schließlich werden einige zusätzliche Informationen über die Ätztiefe sowie die seitliche Ausdehnung der Pyramide aus der Energiedifferenz zweier benachbarter Emissionslinien gewonnen, die von zwei in einer einzigen Pyramide eingebetteten Punkten stammen. Der Energieunterschied zwischen den beiden Punkten wird anhand eines einfachen Modells, das auf einem einzelnen Teilchen in einer zylindrischen Scheibe basiert, geschätzt.