Fundamentales Limit für LED
Konzentration von Indium in dünnen Schichten wird durch atomare Anordnung begrenzt.
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.
Abb.: Unter dem Rastertransmissionselektronenmikroskop wird die atomare Anordnung in einer (In, Ga)N Monoschicht sichtbar. (Bild: IKZ)
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