"Juni 2019: Rolle der Lochlokalisierung in den Rekombinationseigenschaften
von Indiumgalliumnitrid-Quantenstrukturen"

InGaN links rechts
STEM-Aufnahmen der untersuchten Übergitter mit dicker Barriere (links) und einer der Quantentöpfe vom Stapel (rechts) am Transmissionselektronenmikroskop im IKZ

Indiumgalliumnitrid (InGaN)-basierte Quantenstrukturen für die Allgemeinbeleuchtung sind heutzutage weit verbreitet und erreichen Wirkungsgrade von bis zu 90 %. Die physikalische Ursache für solch hohe Effizienzen ist jedoch, vor allem in Anbetracht der Anzahl struktureller Defekte, noch nicht vollständig verstanden. Eine in der wissenschaftlichen Gemeinschaft vorherrschende Meinung ist, dass der Lokalisierung von Löchern innerhalb der InGaN-Quantenstruktur eine zentrale Rolle zukommt. Einer der Gründe liegt darin, dass in einem konventionellen Quantensystem typischerweise sowohl Elektronen als auch Löcher lokalisiert sind. Des Weiteren wird der Lokalisationsgrad durch verschiedene Faktoren wie Legierungsschwankungen, Variationen der Ausdehnung der Quantenstruktur, sowie Polarisationsfelder beeinflusst, wodurch ein experimenteller Zugang zu den Rekombinationsprozessen erschwert wird.

Aus diesem Grund hat ein Forschungskonsortium bestehend aus dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ, Berlin), dem Paul-Drude-Institut (PDI, Berlin), dem Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik (MBI, Berlin) und dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE, Düsseldorf) Quantensysteme untersucht, bei denen die Rekombination fast ausschließlich von der Lokalisation von Löchern abhängt. Um diese weniger komplexe Situation zu erreichen, weisen die InGaN Quantenstrukturen, wie sie in den jüngsten Arbeiten von Anikeeva et al. untersucht wurden, eine Dicke von nur einer einzigen atomaren Schicht bei einem durchschnittlichen Indiumgehalt von 25% auf. Die in dieser Arbeit gezeigten Studien umfassen optische (MBI, IKZ), strukturellen Untersuchungen (IKZ) in Kombination mit theoretischen Berechnungen (MPIE).

Anikeeva et al. zeigen, dass trotz der weniger komplexen Ausgangssituation in Bezug auf die Ladungsträgerlokalisierung viele optische Eigenschaften denen konventioneller Quantenstrukturen stark ähneln. Bereits hier zeigt sich die zentrale Rolle der Lochlokalisierung bei den Rekombinationsprozessen in Quantenstrukturen. Durch das Stapeln mehrerer atomarer Monoschichten in einem Übergitter und die sorgfältige Abstimmung ihrer Periodizität konnte zudem der Grad der Lochlokalisierung reduziert werden. Als Ergebnis findet man einen starken Einfluss auf den Rekombinationsprozess, der sich vor allem in einer verminderten Rekombinationseffizienz und einer Veränderung des zeitlichen- und temperaturabhängigen Emissionsverhaltens ausdrückt. Zusammenfassend zeigen die Autoren anhand von experimentellen und theoretischen Arbeiten, dass die Lochlokalisation ein entscheidender Faktor für optische Phänomene in InGaN-Quantenstrukturen darstellt. Die Ergebnisse erlauben zudem tiefere Einblicke in die grundlegenden Rekombinationsmechanismen, und ermöglichen eine kritische Überprüfung der in der Literatur vertretenen Modelle.

 

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