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Strain-related phenomena in (In,Ga)N/GaN nanowires and rods investigated by nanofocus x-ray diffraction and the finite element methodHenkel, Thilo Johannes 15 January 2018 (has links)
In dieser Arbeit wird das lokal
aufgelöste Deformationsfeld einzelner (In,Ga)N/GaN Drähte mit Hilfe nanofokussierter
Röntgenbeugung und der Methode der Finiten Elemente untersucht. Hiermit
soll ein Beitrag zum grundlegenden Verständis der optischen Eigenschaften
geleistet werden, die durch das Deformationsfeld maßgeblich beeinflusst werden.
Zunächst wird die Abhängigkeit der vertikalen Normalkomponente, epsilon_zz, des
elastischen Dehnungstensors von der Geometrie eines axialen (In,Ga)N/GaN
Nanodrahtes diskutiert. Dabei wird ein signifikant negativer epsilon_zz-Wert beobachtet,
sobald das Verhältnis von Nanodrahtradius und (In,Ga)N-Segmentlänge gegen
eins strebt. Auffallend große Scherkomponenten und eine konvexe
Verformung der äußeren Oberfläche begleiten das Auftreten des negativen epsilon_zz-
Wertes und sind die Ursache dieses Effekts. Durch eine Ummantelung von GaN-Nanodrähten mit einer (In,Ga)N-Schale
lässt sich die aktive Fläche und somit die potentielle Lichtausbeute pro Fläche
im Vergleich zu planaren Strukturen deutlich erhöhen. Es wurde jedoch festgestellt,
dass das entlang der Drahthöhe emittierte Licht rotverschoben ist. Um
den Ursprung dieses Phänomens zu beleuchten, wird das lokale Deformationsfeld
mit Hilfe nanofokussierter Röntgenbeugung vermessen. Durch die gute
räumliche Auflösung ist es möglich, das Deformationsfeld innerhalb einzelner
Seitenfacetten zu untersuchen, wobei ein deutlicher Gradient festgestellt wird.
Basierend auf dem mit der Methode der Finiten Elemente simulierten Deformationsfeld
und kinematischen Streusimulationen, ist es möglich, den Deformationszustand
in einen In-Gehalt zu übersetzen. Wenn neben dem Deformationsfeld
auch der strukturelle Aufbau in der Simulation berücksichtigt wird, kann der
In-Gehalt mit noch größerer Genauigkeit bestimmt werden. / In this thesis, nanofocus x-ray
diffraction and the finite element method are applied to analyze the local strain
field in (In,Ga)N/GaN nanowires and micro-rods which are discussed as candidates
for a plethora of future optoelectronic applications. However, to improve
and tailor their properties, a fundamental understanding on the level of individual
objects is essential.
In this spirit, the dependence of the vertical normal component, epsilon_zz, of the
elastic strain tensor on the geometry of an axial (In,Ga)N/GaN nanowire is systematically
analyzed using the finite element method. Hereby, it is found that
if the ratio of nanowire radius and (In,Ga)N segment length approaches unity,
a significantly negative epsilon_zz value is observed. This stands in stark contrast to
naive expectations and shows that the common knowledge about planar systems
where epsilon_zz would always be greater or equal zero cannot easily be translated to
nanowires with an equivalent material sequence. As the origin of this effect significant
shear strains are discussed which go along with a convex deformation of
the outer surface resulting in a highly complex strain distribution.
The increased active area of core-shell (In,Ga)N/GaN micro-rods makes them
promising candidates for next-generation light emitting diodes. However, it is
found that the emission wavelength is significantly red-shifted along the rod
height. To shed light on the origin of this phenomenon, nanofocus x-ray diffraction
is applied to analyze the local strain field. Due to the high spatial resolution
it is possible to investigate the strain field within individual side-facets and to
detect a significant gradient along the rod height. Based on the deformation field
simulated using the finite element method and subsequent kinematic scattering
simulations it is possible to translate the strain state into an In content.
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Recombination dynamics in (In,Ga)N/GaN heterostructures: Influence of localization and crystal polarityFeix, Felix 02 May 2018 (has links)
(In,Ga)N/GaN-Leuchtdioden wurden vor mehr als 10 Jahren kommerzialisiert, dennoch ist das Verständnis über den Einfluss von Lokalisierung auf die Rekombinationsdynamik in den (In,Ga)N/GaN Quantengräben (QG) unvollständig. In dieser Arbeit nutzen wir die temperaturabhängige stationäre und zeitaufgelöste Spektroskopie der Photolumineszenz (PL), um diesen Einfluss in einer typischen Ga-polaren, planaren (In,Ga)N/GaN-QG-Struktur zu untersuchen. Zusätzlich dehnen wir unsere Studie auf N-polare, axiale (In,Ga)N/GaN Quantumscheiben, nichtpolare Kern/Mantel GaN/(In,Ga)N µ-Drähte und Ga-polare, submonolage InN/GaN Übergitter aus. Während wir einen einfach exponentiellen Abfall der PL-Intensität in den nichtpolaren QG beobachten (Hinweise auf die Rekombination von Exzitonen), folgen die PL-Transienten in polaren QG asymptotisch einem Potenzgesetz. Dieses Potenzgesetz weist auf eine Rekombination zwischen individuell lokalisierten, räumlich getrennten Elektronen und Löchern hin. Für einen solchen Zerfall kann keine eindeutige PL-Lebensdauer definiert werden, was die Schätzung der internen Quanteneffizienz und die Bestimmung einer Diffusionslänge erschwert. Um nützliche Rekombinationsparameter und Diffusivitäten für die polaren QG zu extrahieren, analysieren wir die PL-Transienten mit positionsabhängigen Diffusionsreaktionsgleichungen, die durch einen Monte-Carlo-Algorithmus effizient gelöst werden. Aus diesen Simulationen ergibt sich, dass das asymptotische Potenzgesetz auch bei effizienter nichtstrahlender Rekombination (z. B. in den Nanodrähten) erhalten bleibt. Zudem stellen wir fest, dass sich die InN/GaN Übergitter elektronisch wie konventionelle (In,Ga)N/GaN QG verhalten, aber mit starkem, thermisch aktiviertem nichtstrahlenden Kanal. Des Weiteren zeigen wir, dass das Verhältnis von Lokalisierungs- und Exzitonenbindungsenergie bestimmt, dass die Rekombination entweder durch das Tunneln von Elektronen und Löchern oder durch den Zerfall von Exzitonen dominiert wird. / (In,Ga)N/GaN light-emitting diodes have been commercialized more than one decade ago. However, the knowledge about the influence of the localization on the recombination dynamics and on the diffusivity in the (In,Ga)N/GaN quantum wells (QWs) is still incomplete. In this thesis, we employ temperature-dependent steady-state and time-resolved photoluminescence (PL) spectroscopy to investigate the impact of localization on the recombination dynamics of a typical Ga-polar, planar (In,Ga)N/GaN QW structure. In addition, we extend our study to N-polar, axial (In,Ga)N/GaN quantum disks, nonpolar core/shell GaN/(In,Ga)N µ-rods, and Ga-polar, sub-monolayer InN/GaN superlattices. While we observe a single exponential decay of the PL intensity in the nonpolar QWs, indicating the recombination of excitons, the decay of the PL intensity in polar QWs asymptotically obeys a power law. This power law reveals that recombination occurs between individually localized, spatially separated electrons and holes. No unique PL lifetime can be defined for such a decay, which impedes the estimation of the internal quantum efficiency and the determination of a diffusion length. In order to extract useful recombination parameters and diffusivities for the polar QWs, we analyze the PL transients with position-dependent diffusion-reaction equations, efficiently solved by a Monte Carlo algorithm. From these simulations, we conclude that the power law asymptote is preserved despite efficient nonradiative recombination in the nanowires. Moreover, we find that the InN/GaN superlattices behave electronically as conventional (In,Ga)N/GaN QWs, but with a strong, thermally-activated nonradiative channel. Furthermore, we demonstrate that the ratio of localization and exciton binding energy, both of which are influenced by the magnitude of the internal electric fields in the QWs, determines the recombination mechanism to be either dominated by tunneling of electrons and holes or by the decay of excitons.
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