Fundamentales Limit für LED

Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der grünen LEDs und Laser gelang es den Forschern nicht, einen höheren Indium-Gehalt als dreißig Prozent in den Dünn­schichten zu erreichen. Der Grund dafür war bisher unklar: Ist es ein Problem, die richtigen Wachstums­bedingungen zu finden oder eher ein nicht zu über­windender funda­mentaler Effekt? Nun hat ein inter­nationales Team aus Deutschland, Polen und China neues Licht auf diese Frage geworfen und den Mecha­nismus aufgezeigt, der für diese Begrenzung verant­wortlich ist.

In ihrer Arbeit versuchten die Wissen­schaftler, den Indium-Gehalt zu maximieren, indem sie einzelne atomare Schichten von InN auf GaN züchteten. Unabhängig von den Wachstums­bedingungen haben die Indium-Konzen­trationen jedoch nie dreißig Prozent über­schritten – ein deutliches Zeichen für einen grund­legend begrenzten Mecha­nismus. Die Forscher verwendeten hoch­entwickelte Charak­terisierungs­methoden, wie das Transmissions­elektronen­mikroskop mit atomarer Auflösung (TEM) und die In-situ-Reflexions-Hoch­energie-Elektronen­beugung (RHEED). Dabei entdeckten sie, dass, sobald der Indium-Gehalt etwa 25 Prozent erreicht, die Atome inner­halb der (In, Ga)N-Monoschicht in einem regel­mäßigen Muster angeordnet sind – eine einzelne Indium-Atomreihe alterniert mit zwei Atom­reihen von Gallium-Atomen.

Umfassende theore­tische Berechnungen ergaben, dass die atomare Anordnung durch eine bestimmte Oberflächen­rekonstruktion induziert wird: Indium-Atome sind mit vier benach­barten Atomen verbunden, statt wie erwartet mit drei. Dadurch entstehen stärkere Bindungen zwischen Indium- und Stickstoff­atomen, die es einerseits ermög­lichen, während des Wachstums höhere Tempera­turen zu nutzen und anderer­seits dem Material eine bessere struk­turelle Qualität zu verleihen. Auf der anderen Seite begrenzt die geordnete atomare Anordnung den Indium-Gehalt auf 25 Prozent, welcher unter realis­tischen Wachstums­bedingungen nicht zu überwinden ist.

„Offen­sichtlich behindert ein techno­logischer Engpass sämtliche Versuche, die Emission vom grünen in den gelben und roten Bereich der Spektren zu verlagern“, erklärt Tobias Schulz: „Zum Beispiel das Wachstum von InGaN-Filmen auf qualitativ hoch­wertigen InGaN-Pseudo­substraten, welche die Verspannung in der Schicht redu­zieren würden.“ Die regel­mäßige Anordnung der Atome kann jedoch helfen, bekannte Grenzen des InGaN-Material­systems zu überwinden: Loka­lisation von Ladungs­trägern aufgrund von Schwankungen in der che­mischen Zusammen­setzung in der Schicht. Die Züchtung von fest ange­ordneten (In, Ga)N-Legierungen mit einer stabilen Zusammen­setzung bei hohen Tempera­turen kann somit die optischen Eigen­schaften von Bauele­menten verbessern.

FVB / JOL