Fundamentales Limit für LED

  • 30. January 2018

Konzentration von Indium in dünnen Schichten wird durch atomare Anordnung begrenzt.

Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der grünen LEDs und Laser gelang es den Forschern nicht, einen höheren Indium-Gehalt als dreißig Prozent in den Dünn­schichten zu erreichen. Der Grund dafür war bisher unklar: Ist es ein Problem, die richtigen Wachstums­bedingungen zu finden oder eher ein nicht zu über­windender funda­mentaler Effekt? Nun hat ein inter­nationales Team aus Deutschland, Polen und China neues Licht auf diese Frage geworfen und den Mecha­nismus aufgezeigt, der für diese Begrenzung verant­wortlich ist.

Abb.: Unter dem Rastertransmissionselektronenmikroskop wird die atomare Anordnung in einer (In, Ga)N Monoschicht sichtbar. (Bild: IKZ)

Abb.: Unter dem Rastertransmissionselektronenmikroskop wird die atomare Anordnung in einer (In, Ga)N Monoschicht sichtbar. (Bild: IKZ)

In ihrer Arbeit versuchten die Wissen­schaftler, den Indium-Gehalt zu maximieren, indem sie einzelne atomare Schichten von InN auf GaN züchteten. Unabhängig von den Wachstums­bedingungen haben die Indium-Konzen­trationen jedoch nie dreißig Prozent über­schritten – ein deutliches Zeichen für einen grund­legend begrenzten Mecha­nismus. Die Forscher verwendeten hoch­entwickelte Charak­terisierungs­methoden, wie das Transmissions­elektronen­mikroskop mit atomarer Auflösung (TEM) und die In-situ-Reflexions-Hoch­energie-Elektronen­beugung (RHEED). Dabei entdeckten sie, dass, sobald der Indium-Gehalt etwa 25 Prozent erreicht, die Atome inner­halb der (In, Ga)N-Monoschicht in einem regel­mäßigen Muster angeordnet sind – eine einzelne Indium-Atomreihe alterniert mit zwei Atom­reihen von Gallium-Atomen.

Umfassende theore­tische Berechnungen ergaben, dass die atomare Anordnung durch eine bestimmte Oberflächen­rekonstruktion induziert wird: Indium-Atome sind mit vier benach­barten Atomen verbunden, statt wie erwartet mit drei. Dadurch entstehen stärkere Bindungen zwischen Indium- und Stickstoff­atomen, die es einerseits ermög­lichen, während des Wachstums höhere Tempera­turen zu nutzen und anderer­seits dem Material eine bessere struk­turelle Qualität zu verleihen. Auf der anderen Seite begrenzt die geordnete atomare Anordnung den Indium-Gehalt auf 25 Prozent, welcher unter realis­tischen Wachstums­bedingungen nicht zu überwinden ist.

„Offen­sichtlich behindert ein techno­logischer Engpass sämtliche Versuche, die Emission vom grünen in den gelben und roten Bereich der Spektren zu verlagern“, erklärt Tobias Schulz: „Zum Beispiel das Wachstum von InGaN-Filmen auf qualitativ hoch­wertigen InGaN-Pseudo­substraten, welche die Verspannung in der Schicht redu­zieren würden.“ Die regel­mäßige Anordnung der Atome kann jedoch helfen, bekannte Grenzen des InGaN-Material­systems zu überwinden: Loka­lisation von Ladungs­trägern aufgrund von Schwankungen in der che­mischen Zusammen­setzung in der Schicht. Die Züchtung von fest ange­ordneten (In, Ga)N-Legierungen mit einer stabilen Zusammen­setzung bei hohen Tempera­turen kann somit die optischen Eigen­schaften von Bauele­menten verbessern.

FVB / JOL

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