Inxga1-xn (x= 0,075; 0,090; 0,100) Mavi led`lerin mikroyapısal kusurlarının ters örgü uzay haritası ile incelenmesi

Abstract

Bu tezde, InxGa1-xN (x= 0,075; 0,090; 0,100) temelli mavi ışık yayan diyot (LED) yapısı çalışıldı. Öncelikle n-GaN ve p-AlGaN+GaN kontak arasında, c-yönelimli safir alttaş üzerine metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) yöntemi ile InGaN/GaN çoklu kuantum kuyu (MQW) LED yapısı büyütüldü. Örnek büyütme aşamasında tüm örnekler için InGaN tabakanın büyütme sıcaklığı dışındaki basınç ve kaynak akı oranları gibi tüm parametreleri sabit tutuldu. Farklı In oranlarındaki InGaN/GaN ışık yayan diyot örneklerin; yapısal, optiksel, elektriksel ve morfolojik özellikleri, Yüksek Çözünürlüklü X-Işını Kırınımı (HRXRD), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Fourier Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Fotolüminesans (PL) ve Akım-Gerilim Karakteristiği (I-V) teknikleri ile incelendi. Yüksek Çözünürlüklü X-Işını Kırınımı Tekniği kullanılarak yapı kusurlarının araştırılması için ters örgü uzayı haritası çıkarıldı. GaN epitaksiyel yapının özellikleri referans alınarak, InGaN ve AlGaN tabakanın nokta kusurları (örgü rahatlaması, örgü zorlaması, üç yönlü zorlama ve iki yönlü zorlama) ve mozaik yapı kusurları (eğim açısı, yanal ve dikey mozaik kristal boyut, vida ve kenar dislokasyon yoğunluğu) hesaplandı. Yüzey pürüzlülük parametrelerinin, büyütme sıcaklığına bağlı olarak araştırması yapıldı. Tüm yapısal kusurların, büyütme sıcaklığı ile değiştiği ters örgü uzayı haritalaması ile net bir şekilde görüldü. Ayrıca LED yapıların AlGaN tabakasındaki nokta kusurları InGaN tabaka ile kıyaslandı. Her iki tabakanın rahatlama yüzdeleri birbirine göre ters davranış gösterirken, hidrostatik ve iki yönlü zorlama değişimleri her iki tabaka içinde benzer özellikler gösterdi. Sonuç olarak bir tabakadan diğer tabakaya nokta ve çizgi kusurların taşınması nedeniyle aynı tip kusur eğilimleri görüldü. Değişen In oranı değerlerinde elde edilen mozaik yapı kusurları, InGaN aktif tabakası için uygun büyütme sıcaklığını ortaya koydu. 667 oC olan bu büyütme sıcaklığında: AFM analizlerine göre LED yapının, yüksek kristal boyutlu ve pürüzlü, PL ve FTIR sonuçlarına göre yasak band enerji aralığının ve dalgaboyunun maviye kaydığı ve titreşim enerji piki yarı genişliğinin azaldığı, I-V ölçümlerine göre LED'in ışığa karşı tepki verdiği görüldü. Nihai olarak InGaN MQW mavi LED'lerin tüm analiz sonuçlarının birbirlerini desteklediği ve 667 oC'nin LED üretimi için optimum büyütme sıcaklığı olduğu anlaşıldı.

In this thesis, The microstructure of InxGa1-xN (x= 0,075; 0,090; 0,100) blue light emitting diodes (LED) were investigated. First, LED structures with InGaN/GaN multiple quantum wells (MQW) were grown between n-GaN and p-AlGaN+GaN contacts using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) on c-oriented sapphire substrates. The process parameters, such as the pressure and source flow rates, were kept constant with the exception of growth temperature of the InGaN layers. Then, the structural, optical, electrical and surface morphologic properties of InGaN/GaN LED samples with different Indium content were characterized using High-Resolution X-Ray Diffraction (HRXRD), Atomic Force Microscopy (AFM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Photoluminescence (PL) and Current-Voltage (I-V) Characteristics. To examine the structural defects in crystal forms, a reciprocal lattice space was mapped using a High Resolution X-Ray Diffractometer. The point defects (lattice relaxation, lattice strain, hydrostatic strain, biaxial strain) and mosaic structure defects (the tilt angles, lateral and mosaic crystal dimension of mosaic blocks, screw and edge dislocation densities) of GaN and InGaN layers were estimated by taking the structure properties of GaN epitaxial layer as the reference. Furthermore, the relationship between the parameters of surface roughness and the growth temperature were examined. The changes in structural defects with respect to the growth temperature were observed using reciprocal space mapping. Additionally, the point defects of the blue LED structure on AlGaN layer were compared to those of InGaN layer. While the relaxation percent of both layers were opposite to each other; hydrostatic and biaxial strain changes showed the same properties for both layers. The defect types were showing similar trends in both structures, because the same type of point defects and line defects were extended from one layer to the other. The changing ratio of mosaic structure defects with respect to the Indium content revealed the optimized growth temperature for the InGaN active layers. The following specifc observations were made at the optimized growth temperature of 667 oC: The AFM analysis revealed that the LED structures were high crystal size and rough. According to PL and FTIR results, the band gap energy and wavelengths shifted towards the blue spectrum and the half-width of vibrational energy peak decreased. According to the I-V measurements, LED structure was responsive to the light. Finally, it was concluded that all the analysis results of the InGaN MQW blue LEDs were consistent and supported each other, and 667 OC was found to be the optimized growth temperatures for LED fabrication.