Gut leitfähiges AlGaN:Si für UV-C-Emitter
Abb. 1: Vergleich der niedrigsten veröffentlichten Widerstandswerte von AlxGa1-xN:Si
Abb. 2: Widerstand von AlxGa1-xN:Si- vs. SiH4/III-Verhältnis in der MOVPE-Gasphase – vgl. APL, dx.doi.org/10.1063/1.4833247
Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Leucht- und Laserdioden, die im tiefen Ultraviolet emittieren (UV-C), ist die Realisierung von n- und p-leitfähigen AlGaN-Schichten mit hohem Al-Gehalt. Für AlxGa1-xN mit x > 0,8, wie es für die Mantelschichten in Laserdioden oder für Stromspreizungsschichten in Leuchtdioden (LED) benötigt wird, ist nicht nur p- sondern bereits n- Leitfähigkeit schwierig zu erzielen. Ursache dafür ist die steigende Ionisierungsenergie der Donatoren mit steigendem Al-Gehalt – das heißt mit größer werdendem Bandabstand – sowie der Kompensation durch Defekte und Verunreinigungen. Auf Saphir abgeschiedene AlxGa1-xN-Schichten weisen üblicherweise sehr hohe Versetzungsdichten (1010 cm-2) auf. Diese können die Ladungsträger einfangen, welche somit nicht mehr zur Stromleitung beitragen können. Daher sind Schichten mit x > 0,7 meist hochohmig, auch wenn sie hoch mit Si-dotiert sind.
Die Herstellung UV-C emittierender LEDs mittels MOVPE wird in Zusammenarbeit mit der TU Berlin erforscht. Im Rahmen dieser Arbeiten wurde der Einfluss des in der Gasphase angebotenen SiH4/Gruppe-III-Verhältnisses sowie des Al-Gehalts (x > 0,8) von AlGaN-Schichten auf deren elektrische Eigenschaften untersucht [1]. Es wurden epitaktisch lateral überwachsene AlN-Schichten mit niedriger Defektdichte auf Saphir hergestellt und dann mit AlxGa1-xN überwachsen [2].
Bei optimalem SiH4/III-Verhältnis gewachsene Al0.81Ga0.19N-Schichten erreichen einen Rekordwert des spezifischen Widerstandes von nur 0,026 Ωcm. Der Widerstand steigt exponentiell mit dem Al-Gehalt auf 3,35 Ωcm für Al0.96Ga0.04N:Si an, wobei sich das optimale SiH4/III-Verhältnis leicht zu geringeren Werten hin verschiebt (Abb. 1 und 2). Hall-Effekt-Messungen zeigen, dass sich der Widerstand hauptsächlich durch die Verringerung der Konzentration an freien Ladungsträgern erhöht. Die Ladungsträgerkonzentration in optimiertem Al0.81Ga0.19N:Si betrug 1.5 x 1019 cm-3 mit einer Beweglichkeit von 16 cm2V-1 s-1. Die erzielten Werte sind die Basis zur Entwicklung von UV-LEDs mit Emissionswellenlängen bis herab zu 230 nm.
Die Arbeiten wurden finanziell unterstützt durch das BMBF im Rahmen der WideBase Initiative (Förderkennzeichen 03WKBT01C) und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG unter SFB 787.
Publikationen:
[1] F. Mehnke, T. Wernicke, H. Pingel, Ch. Kuhn, Ch. Reich, V. Kueller, A. Knauer, M. Lapeyrade, M. Weyers, M. Kneissl, "Highly conductive n-AlxGa1-xN layers with aluminum mole fractions above 80%", Applied Physics Letters Vol.103, No. 21, 212109 (2013).
[2] V. Kueller, A. Knauer, F. Brunner, U. Zeimer, H. Rodriguez, M. Kneissl, M. Weyers, "Growth of AlGaN and AlN on patterned AlN/sapphire templates", Growth, vol. 315, no. 1, pp. 200-203 (2011).
FBH-Forschung: 05.12.2013