GaAsP/GaAs ve InGaN/GaN p-n eklem yapılarının optik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, GaAs1-xPx/GaAs ve InxGa1-xN/GaN çoklu kuantum kuyulu (MQW) p-n eklem ışık yayan diyot (LED) yapıları epitaksiyel olarak, farklı şartlar altında büyütüldü. Büyütme tekniği olarak, P içeren yapılar için Moleküler Demet Epitaksi (MBE), N içeren yapılar için Metal Organik Kimyasal Buhar Birikimi (MOCVD) teknikleri kullanıldı. Kristal katmanların örgü uyumluluğunu sağlamak amacıyla GaAsP p-n eklem yapıları doğrusal artımlı olarak GaAs alttaş üzerine, InGaN MQW yapıları ise safir alttaş üzerine büyütülen AlN tabakası üzerine büyütüldü. Büyütme şartlarındaki değişimlerin bu yapıların yapısal ve optik özellikleri üzerine etkileri araştırıldı. Böylece, en uygun malzeme büyütme şartlarının elde edilmesi hedeflendi. Büyütülen numunelerin yapısal parametreleri, yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı (HRXRD) desenleri analiz edilerek, iyi kristal kalitesinde oldukları belirlendi. LED yapılarının optik ve bant-geçiş özellikleri fotolüminesans (PL) ve spektroskopik elipsometre (SE) ölçümleri ile belirlendi. SE verilerinin analiz edilmesi ile GaAsP numunelerinin elektronik bant yapısındaki bantlar arası geçiş enerji değerleri (kritik enerji noktaları) ve bunların P oranının değişimine bağlı davranışları belirlendi. Artan P oranına göre, E0 yasak enerji aralığı pozitif bükülme ile artarken diğer geçiş enerjilerinin doğrusal olarak arttığı tespit edildi. Numunelerin E0 bant enerjisi bükülme parametreleri PL ve SE verileri kullanılarak elde edildi. Yapılan PL ve SE ölçümlerinin analizleri sonucunda, büyütme şartlarının ışıma verimini etkileyen en önemli faktör olduğu belirlendi. Düşük sıcaklık PL ölçümleri sonucunda elde edilen spektrumların pik yarı genişlik (FWHM) ve PL şiddetlerinin sıcaklık bağımlılığı incelendi. PL şiddetinin sıcaklık bağımlılığından faydalanılarak düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık bölgelerindeki kusur seviyelerinin enerjileri belirlendi. Sonuç olarak, GaAsP ve çoklu kuantum kuyulu InGaN/GaN LED yapıları için kristal kalitesi ve lüminesans verimlilikleri açışından hangi büyütülme şartlarının uygun olabileceği sunuldu.

In this study, GaAs1-xPx/GaAs and InxGa1-xN/GaN multi quantum well (MQW) p-n junction light emitting diode (LED) structures were grown epitaxially under different conditions. As the growth techniques, Molecular Beam Epitaxy (MBE) system was used for structures including P and Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) system for structures including N. In order to obtain the lattice match of crystal layers, GaAsP p-n junction structures were grown as linear graded on GaAs substrate and InGaN MQW structures were grown on AIN layer which is grown on sapphire substrate. The effects of the alterations in growth conditions on the structural and optical properties of these structures were investigated. Hence, achieving the most suitable growth conditions is aimed. It is found out that the structural parameters of the grown samples are of good quality by analyzing the high resolution X-ray diffraction (HRXRD) patterns. The optical and band-transition properties of LED structures are determined by photoluminescence (PL) and spectroscopic ellipsometer (SE) measurements. With the analysis of SE data, the interband transition energy values (critical energy points) in electronic band structure of GaAsP samples and their behaviors according to the change in P rate are determined. It is seen that the E0 band gap energy increases with a positive bowing and the other transition energies change linearly with respect to the increasing P composition. The E0 band energy bending parameters of samples are obtained from PL and SE data. As the result of the analysis of PL and SE measurements, it is seen that the growth condition is the most important factor affecting the emission efficiency. The full width half maximum (FWHM) of the PL peaks and the temperature dependency of PL intensities of the spectrums obtained as the result of low temperature PL measurements were investigated. The energies of the defect levels of low and high temperature regions were determined by using the temperature dependency of PL intensities. To conclude, which conditions could be suitable for GaAsP and multi quantum well InGaN/GaN LED structures with regard to crystal quality and luminescence efficiencies were presented in this study.