Indium gallium nitride nanostructures for optoelectronic applications

Haab, Anna; Martin, Manfred; Haarmann, Frank

doi:37295

Indium gallium nitride nanostructures for optoelectronic applications

Haab, Anna^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anna Katharina Haab

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (164 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Haarmann, Frank (Thesis advisor)^RWTH* ; Martin, Manfred (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226032
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/728903/files/728903.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Nanodrähten des Indiumgalliumnitrid (InGaN) Materialsystems. Die Anwendung der Gruppe III-Nitride in optoelektronischen Bauelementen hat sich in den letzten Jahren fest etabliert. Sie sind daher von großem Interesse für Forschung und Industrie. Insbesondere ist die Verwendung von Galliumnitrid (GaN) - InGaN Heterostrukturschichten als Basis der Licht-emittierenden Dioden (LEDs) zu erwähnen. Diese werden nicht nur als energieeffiziente Lichtquellen verwendet, sondern z.B. auch als blaue Laser in Blu-Ray-Playern oder als Hintergrundbeleuchtung in Displays. Durch Verwendung dieses Materialystems in Form von Nanostrukturen, insbesondere Nanodrähten, soll eine gesteigerte Effizienz der Bauelemente erzielt werden. Durch ihre einzigartige Morphologie und das hohe Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis kann beispielsweise bei Anwendung in der Photovoltaik die Reflektion des einfallenden Lichts verringert und der Anteil an absorbiertem Licht erhöht werden. Zusätzlich bieten Nanodrähte, im Gegensatz zu planaren Schichten, die Möglichkeit, den Einbau von Gitterfehlern beim Kristallwachstum auf Fremdsubstraten, wie Silizium oder Saphir, zu reduzieren. Es wurden drei unterschiedliche Ansätze zur Herstellung der Nanodrähte verfolgt. Zum einen wurden GaN Nanodrähte mittels Reaktivem Ionenätzen (RIE) hergestellt. Hierbei wurden epitaktisch gewachsene GaN Schichten ohne vorherige lithographische Strukturierung in die Plasmakammer eingebracht. Anhand der nachfolgenden Charakterisierung, im direkten Vergleich mit der unbehandelten GaN Schicht, ist es gelungen, Rückschlüsse auf die Entstehung der Drähte bei diesem Prozess zu ziehen und eine Prozesskontrolle über die gewünschte Morphologie der Drähte zu erhalten. Sie besitzen zudem ausgezeichnete optische Eigenschaften, welche mittels Photolumineszenz-Spektroskopie, sowie Transmissions- und Reflektions-Spektroskopie untersucht wurden. Die durch Plasmaätzen erzeugten GaN Nanodrähte wurden im Folgenden als Wachstumsoberfläche für eine InGaN Hülle verwendet. Die InGaN Hülle wurde mittels metall-organischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellt. Bei diesen Experimenten wurden unterschiedliche Zusammensetzungen der ternären Verbindung erzeugt. Im Vergleich mit Literaturwerten für planare InGaN Schichten konnten hier verhältnismäßig hohe Indiumkonzentrationen erzielt werden. Des Weiteren wurden Indiumnitrid (InN) Nanodrähte mittels MOVPE direkt auf Si Substraten gewachsen. Im Gegensatz zum üblichen Vorgehen beim Wachstum der Gruppe III-Nitride auf Si, wurde keine Aluminiumnitrid (AlN) Pufferschicht zur Reduzierung der Gitterfehlanpassung verwendet. Auch wurde auf die Verwendung von Fremdmetallen, wie Au, zur Katalyse des Wachstums beim sogenannten Vapour Liquid Solid (VLS) Verfahren verzichtet. Stattdessen wurde das InN Wachstum durch das Aufbringen von In Tropfen gefördert. Die entstandenen Nanodrähte weisen eine V-Form auf und werden durch eine Zwillingsebene (twin plane) in zwei gespiegelte Kristallebenen geteilt. Basierend auf diesen Ergebnissen kann eine weitere Entwicklung der Nanodrähte hinsichtlich ihrer Morphologie, optoelektrischen Eigenschaften und die Integration in Bauelemente vorangetrieben werden.

The present thesis addresses the fabrication and characterisation of nanowires consisting of the indium gallium nitride (InGaN) material system. The group III-nitrides have become established in application for optoelectronic devices in the last years and are of great interest for research and industry. Particularly the use of gallium nitride(GaN) - InGaN heterostructure layers as the basis for light emitting diodes (LEDs) has to be pointed out. They are not only utilized as energy-efficient light sources but further as blue lasers in Blu-ray players and as background lighting in displays. Creating nanostructures, especially nanowires, out of this material system is promising to boost device efficiencies. Applied in the field of photovoltaics, nanowires can help to diminish reflection losses and increase the fraction of absorbed light due to their unique morphology and high surface-to-volume ratio. Furthermore, nanowires, unlike planar layers, enable to reduce the integration of stacking faults during heteroepitaxy on substrates like silicon or sapphire. In this work three different approaches to fabricate nanowires were pursued. One is the creation of GaN nanowires by reactive ion etching (RIE). Epitaxially grown GaN layers were introduced into the etching chamber without lithographic structuring. The following characterisation of the nanowires, in direct comparison with their layer counterpart, revealed the nanowire formation mechanism during this process and enabled to gain control of the nanowire morphology. Moreover, they show excellent optical properties, which were investigated by photoluminescence spectroscopy, as well as transmission and reflection spectroscopy. In a further step the GaN nanowires formed by plasma etching were used as growth substrate for an InGaN shell. The InGaN shell was grown by metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE). In these experiments different compositions of the ternary alloy were formed. A comparatively high In content could be reached compared to literature values of planar InGaN layers. Furthermore, InN nanowires were grown by MOVPE on Si wafers. In contrast to common approaches for group III-nitride growth on Si no aluminium nitride (AlN) bufferlayer was used. It was also refrained to use foreign metals like Au, to catalyse the nanowire growth via the so-called vapour liquid solid (VLS) method. Instead, the InN growth was promoted by metallic In droplets on the Si wafer. The resulting nanowires exhibit a V-shaped morphology and are split in two mirror-symmetric crystals by atwin plane. Based on these results a further development of the nanowires regarding their morphology, optoelectronic properties and integration in devices can be promoted.

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