Optische Polarisation in AlGaN – von Materialeigenschaften bis zur Vorhersage der Emissionseigenschaften optoelektronischer Bauelemente

Das FBH entwickelt in enger Zusammenarbeit mit der TU Berlin AlGaN-basierte UV-Leuchtdioden und Laserdioden für den Wellenlängenbereich 200 – 350 nm. Kürzlich wurde von uns der LED-Betrieb bis 245 nm und stimulierte Emission in optisch gepumpten Laserstrukturen bis zu 237 nm gezeigt. Das wissenschaftliche Interesse beschränkt sich hierbei nicht nur auf die Optimierung der Bauelemente, sondern umfasst ebenfalls grundlegendere Aspekte. Diese beinhalten unter anderem fundamentale Materialeigenschaften, das Finden und Verfeinern von Wachstumsbedingungen in der Epitaxie und die Verwendung von unterschiedlichen Substraten oder unterschiedlichen Kristallorientierungen.

Zu den fundamentalen Materialeigenschaften mit Bedeutung für optoelektronische Bauelemente gehören auch die Valenzbandabfolge und die Energieaufspaltung der Valenzbänder. Die Valenzbandabfolge legt die optische Polarisation des emittierten Lichts und damit auch für Bauelemente relevante Größen fest, wie die Auskoppeleffizienz des Lichts, die externe Quantenausbeute oder die optische Einschränkung von Lasermoden in Wellenleitern. Wir haben die Valenzbandabfolge in AlGaN mittels optischen Polarisationsmessungen im Rahmen von Photolumineszenzmessungen untersucht. Dabei haben wir verschiedene Parameter variiert: den Aluminiumgehalt x im AlGaN, die Kristallorientierung, die Kristallverspannung, die Probentemperatur und die angeregte Ladungsträgerdichte. Als Beispiel zeigt Abb. 1 Photolumineszenzspektren von (11-22)-AlGaN mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt x, die mit zwei senkrecht zueinander orientierten Polarisationsrichtungen aufgenommen wurden. Der Polarisationsgrad ändert sich mit x. Für x ≈ 0,22 liegt eine Entartung der Valenzbänder vor, was zu ähnlichen Intensitäten der Emission für beide Polarisationsrichtungen führt.

Wenn der optische Polarisationsgrad bekannt ist, kann die Effizienz der Lichtauskopplung aus den Kristalloberflächen berechnet werden. Für einen (0001)-orientierten GaN-Kristall wird dies in Abb. 2 gezeigt. Die Lichtauskopplung aus der (0001)-Oberfläche sinkt mit kleiner werdendem Wert für die Polarisation ρ. Für ρ << 0 verschiebt sich das Maximum der Lichtauskopplung zu hohen Auskoppelwinkeln.

Für das Design von lichtemittierenden AlGaN-Quantenfilmen in optoelektronischen Bauelementen müssen noch weitere Einflüsse auf die Valenzbandabfolge berücksichtigt werden, wie etwa die Kristallverspannung und Quantisierungseffekte. Wir haben gezeigt, dass eine kompressive Verspannung, die durch den Einbau von Indium in AlGaN Schichten hervorgerufen wird, den Umschlagpunkt für die Polarisation ρ = 0 zu höherem Aluminiumgehalt verschiebt. Ein ähnliches Verhalten ist bei einer kompressiven Verspannung zu erwarten, die AlGaN-Quantenfilmschichten durch Puffer- oder Barriereschichten mit höherem Aluminiumgehalt erfahren. Zusätzlich verändert die Quantisierung in Quantenfilmen die Polarisation des emittierten Lichts, indem die Energieniveaus für leichte und schwere Lochbänder unterschiedlich stark verschoben werden. Diese Effekte können ausgenutzt werden, um über den Verspannungshaushalt von Heterostrukturen und die Wahl von geeigneten Quantenfilmdicken die optische Polarisation in AlGaN-Quantenfilmen in eine angestrebte Richtung zu zwingen.

Publikationen:

C. Netzel, J. Stellmach, M. Feneberg, M. Frentrup, M. Winkler, F. Mehnke, T. Wernicke, R. Goldhahn, M. Kneissl, M. Weyers "Polarization of photoluminescence emission from semi-polar (11-22) AlGaN layers", Appl. Phys. Lett., vol. 104, no. 051906 (2014)

M. Martens, F. Mehnke, C. Kuhn, C. Reich, V. Kueller, A. Knauer, C. Netzel, C. Hartmann, J. Wollweber, J. Rass, T. Wernicke, M. Bickermann, M. Weyers, M. Kneissl "Performance Characteristics of UV-C AlGaN-Based Lasers Grown on Sapphire and Bulk AlN Substrates", IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 26, no. 4, pp. 342-345 (2014).

C. Netzel, A. Knauer, M. Weyers "Quantum Efficiency Analysis of Near-Ultraviolet Emitting AlGaN and AlInGaN Structures", Jpn. J. Appl. Phys., vol. 52, no. 08JL14 (2013).

C. Netzel, A. Knauer, M. Weyers "Impact of light polarization on photoluminescence intensity and quantum efficiency in AlGaN and AlInGaN layers", Appl. Phys. Lett., vol. 101, no. 242102 (2012).

FBH-Forschung: 19.02.2014