InGaN/GaN ışık yayan diyotların kuantum verimlerinin araştırılması

Abstract

Bu tez çalışmasında InGaN/GaN hetero ve kuantum yapılı ışık yayan diyotların kuantum verimliliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Buna yönelik olarak, büyütme yaklaşımlarının ve yapısal tasarımların kuantum verimliliği üzerine etkiyen temel farktörleri belirlemek ve tanımlamak amacıyla dört farklı örnek grubu incelenmiştir. İlk olarak, InGaN/GaN kuantum yapılarında delta-katkılı InGaN kuantum bariyerler kullanılarak tabaka kalitesinden ödün verilmeden aktif bölge içerisindeki deşik konsantrasyonunu arttırmak suretiyle deşik enjeksiyonunu verimliliğinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. İkinci olarak, 1,5,2 ve 3 nm InGaN kuantum kuyu kalınlıklarına sahip üç farklı ışık yayan diyotun sıcaklığa bağlı rekombinasyon dinamikleri, aktif bölge boyutsallığı ve iç kuantum verimlilikleri incelenmiştir. Işınsal ömrün sıcaklığa bağlılığından (τrad α TN/2) N aktif bölge boyutsallığının kuantum kuyusunun artması ile tutarlı olarak azaldığı gözlenmiştir. 3 nm kalınlığındaki kuyular 3-boyutlu yapıya, 1.5 ve 2 nm kalınlığındaki kuyular 2-boyutlu yapıya ait özellikleri taşıdığı gözlenmiştir. Üçüncü olarak, safir alttaşın c ve m-düzlemleri üzerine büyütülen (112 ̅2) yarı polar InGaN yapılardaki indiyum katılma verimlilikleri kuantum sınırlı Stark etkisi dikkate alınarak yüksek uyarma yoğunluklarında FL spektrumlarının karşılaştırılmasıyla incelenmiştir. Son olarak, büyütme doğrultusu boyunca kusurların yayılmasını engelleyen nano-gözenekli SiNx ara tabakaların eklenmesi ile, (112 ̅2)semipolar GaN yapıların optiksel ve yapısal kaliteleri araştırılmıştır. Nano-gözenekli SiNx ile büyütülen (112 ̅2) GaN örnekler için oda sıcaklığı fotolüminesans (FL) şiddeti, aynı kalınlıklı fakat SiNx tabakaların olmadığı referans örneklere kıyasla 4 kat daha yüksek olduğu gözlenmiştir.

This thesis purpose to improve the quantum efficiencies for InGaN/GaN heterostructure and quantum wells. From this perspective, different growth approaches and structural designs were investigated to identfy and address the major factors of efficiency with four different sample groups. First, delta p-doped InGaN quantum barriers were employed to improve hole concentration inside the active region and hole injection without sacrificing the layer quality. Second, temperature dependent recombination dynamics in InGaN light emitting diodes (LEDs) with different well thicknesses, 1.5,2, and 3 nm, were investigated to determine the active region dimensionality and its effect on the internal quantum efficiencies. From the temperature dependence of the radiative lifetimes, τrad α TN/2, the dimensionality N of the active region was found to decrease consistently with decreasing well width. The 3 nm wide wells exhibited ~T1.5 dependence, suggesting a three-dimensional nature, whereas the 1,5 and 2 nm wells were confirmed to be two-dimensional (~T1). Third, indium incorporation efficiency of (112 ̅2) semipolar InGaN LED structures grown on c-plane and mplane sapphire substrates was derived from the comparison of PL spectra considering the effect of quantum confined Stark effect on the emission wavelength. Finally, the improvement of optical and structural quality of semipolar (112 ̅2) GaN layers by means of inserting nano-porous SiNx interlayers, which block propagation of extended defects in the growth direction has been demonstrated. The intensity of room temperature PL for the (112 ̅2) samples grown with nanoporous SiNx was found to be up to four times higher compared to those for the reference samples having the same thickness but no SiNx interlayers.