Quantitative Bestimmung innerer elektrischer Felder mit Hilfe von Differentieller Phasenkontrastmikroskopie

Leucht- und Laserdioden (LEDs bzw. LDs) erfahren seit einigen Jahren verstärkte Aufmerksamkeit in der Öffentlichkeit, da sie unter anderem zur energieeffizienten Allgemeinbeleuchtung verwendet werden können. Ermöglicht haben dies maßgeblich Fortschritte auf dem Gebiet der III-V-Halbleiter, im Speziellen der Gruppe-III-Nitride. Diese umfassen die binären Materialien Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN) und ihre ternären und quaternären Verbindungen. Durch geeignetes Wachstum von Heterostrukturen können die Emissionseigenschaften im Prinzip beliebig verändert werden. Durch die Wurtzit-Kristallstruktur, in welcher die Gruppe-III-Nitride unter Normalbedingungen vorliegen, ergeben sich jedoch innere elektrische Felder, welche in Form von spontaner (aufgrund der Kristallsymmetrie) bzw. piezoelektrischer (aufgrund von Verspannung) Polarisation vorliegen. Diese Polarisation entsteht durch Grenzflächenladungen und führt über die Ausbildung eines starken elektrischen Feldes zum Quantum Confined Stark Effect (QCSE), welcher eine Rotverschiebung der Emissionswellenlänge und einen starken Rückgang der Effizienz zur Folge hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die inneren elektrischen Felder mit Hilfe eines Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) und der Differentiellen Phasenkontrastmikroskopie (DPC) quantitativ vermessen. Dazu wurde eine Kalibrierung des Versuchsaufbaus und der Messung der lokalen Probendicke durchgeführt. Letzteres ist bei üblichen Dicken im Bereich von 100 nm nur mit in situ Methoden möglich. Eine experimentelle Abschätzung des Durchmessers der Strahlsonde ergab einen Wert von etwa einem Nanometer. Ein pn-Übergang diente als Prüfstein für die Aussagekraft der quantitativen Messungen. Es konnte dabei die erwartete Bandlücke eines p- (Magnesium-dotiert) und n-GaN (Silizium-dotiert) Übergangs gezeigt werden. Das maximale Feld konnte zu 180 MV/m bestimmt werden. Um den Effekt verschiedener Flächenladungen auf die Emissionseigenschaften zu bestimmen wurde eine Probenserie vermessen, welche einen drei Nanometer breiten InGaN Quantentrog (QT) in einen quaternären AlInGaN Puffer unterschiedlicher Zusammensetzung einbettet. Da sich die Polarisationskoeffizienten der binären Verbindungen unterscheiden, kann die effektive Flächenladung durch eine geeignete quaternäre Mischung angepasst werden. Es konnte die Reduktion des im Quantentrog vorhandenen Feldes im Verlauf der Probenserie von etwa 22 MV/m auf 0 MV/m gezeigt werden, was durch Photolumineszenzmessungen einer anderen Arbeitsgruppe bestätigt werden konnte. Aus der unbeeinflussten Probe konnte der Effekt des QCSE im Vergleich zur erwarteten Emissionsenergie in Form einer Rotverschiebung des Peaks zu etwa 70 meV abgeschätzt werden. Um die Feldabhängigkeit von der Trogdicke zu untersuchen, wurde eine Doppelquantentrogstruktur mit je einem 10 und 20 nm dicken Trog vermessen. Aufgrund des sehr ähnlichen Indiumgehalts von 4,0 und 4,5 % ergaben sich an den Grenzflächen Feldänderungen von etwa 20 MV/m. Ein eindeutiger Zusammenhang mit der Trogbreite war nicht zu ermitteln. An einem Achtfach-Quantentrog konnten schlussendlich Inhomogenitäten bei regelmäßigen Strukturen gezeigt sowie ein Gradient des In-Gehalts innerhalb des QT nachgewiesen werden. Es ergab sich eine Reduktion der Felder bei den ersten beiden substratnahen Trögen. Dieses Ergebnis stützt eine Theorie, wonach Abschirmladungen primär die Flächenladungen dieser Tröge reduzieren