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Ladungsträgerdynamik von III-V-Halbleiter-Nanostrukturen für lichtemittierende und photovoltaische Applikationen

Sager, Daniel

Für lichtemittierende und photovoltaische Applikationen führen III-V-Halbleiter-Nanostrukturen zu höchsten Effizienzen. Dabei besitzen Nanodrahtstrukturen gegenüber Schichtstrukturen aufgrund der Geometrie einige Vorteile. So ist die Ein- oder Auskopplung von Licht deutlich verbessert und Heterostrukturen können sowohl axial als auch radial gewachsen werden. Axial können diverse Halbleiter mit hohem Freiheitsgrad kombiniert und auf ein gewünschtes Absorptions- oder Emissionsspektrum angepasst werden. Radiale III-N-Nanodrahtstrukturen sind im Gegensatz zu Schichtstrukturen unpolar, so dass geringere Ladungsträgerdichten aufgrund der kurzen Ladungsträgerlebensdauern eine Steigerung der Effizienz ermöglichen. Im Niederinjektionsbereich werden Verluste über Defekte jedoch dominanter, während bei Nanodrähten potentielle Verluste über Oberflächen zusätzlich die Effizienz limitieren können. Ein Verständnis der auftretenden Verlustmechanismen ist daher die Voraussetzung zur Realisierung hoher Effizienzen. Mittels zeitaufgelöster optischer und photoelektrischer Untersuchungsmethoden sind blaue III-N-Schicht-LEDs und -Nanodraht-LEDs sowie axial dotierte GaAs-Nanodrähte und radiale GaAs/GaInP-Strukturen charakterisiert und mit Fokus auf optische Verlustmechanismen untersucht worden. Verluste im Niederinjektionsbereich einer Schicht-LED sind dabei auf einen defektbeteiligten Tunnelprozess durch die Barrieren im aktiven Bereich zurückgeführt worden. Weiterhin werden anhand optischer Analysen partielle Abschirmungseffekte der polaren piezoelektrischen Felder im aktiven Bereich in Abhängigkeit zur Diffusionsspannung diskutiert. Kurze Ladungsträgerlebensdauern für III-N-Nanodraht-LED-Strukturen werden auf Basis der Untersuchungen auf die unpolare Kristallrichtung zurückgeführt. Auch die Emission einer elektrisch betriebenen und schnell modulierbaren Nanodraht-LED ist im Rahmen der Arbeit untersucht worden. Eine effiziente Photostromerzeugung konnte für axial dotierte GaAs-Nanodrähte bei ortsaufgelöster Belichtung am pn-Übergang auch mit sehr hoher Leistungsdichte gemessen werden. Nach den durchgeführten Analysen werden die Ladungsträgerdynamik und Verluste für diese Strukturen durch die Oberflächen dominiert. Die zeitaufgelöste optische Untersuchung einer radialen GaAs/GaInP-Nanodrahtstruktur hat schließlich eine deutliche Reduzierung nichtstrahlender Verluste durch die Passivierung der GaAs-Oberflächen nachgewiesen.

For light emitting and photovoltaic applications III-V-semiconductor-nanostructures provide the highest efficiencies. Compared to epitaxial layer structures, nanowire structures offer some advantages due to their unique geometry. This means the in-coupling and out-coupling of light is significantly improved and heterostructures can be grown in axial and radial direction, respectively. Within the axial approach several semiconductors can be combined and adapted with a high degree of freedom corresponding to the desired absorption or light emitting spectrum, respectively. In contradiction to epitaxial layer structures radial III-N-nanowire structures are non-polar. Due to the corresponding short charge carrier lifetime a reduced charge carrier density facilitates an increase of efficiency. However, within the low-injection regime losses via defects are becoming dominant, while in case of nanowires potential losses via the surface additionally can limit the efficiency. Thus, knowledge about the present loss mechanisms is fundamental in order to reach high efficiencies. Using time-resolved optical and photoelectrical experimental methods, respectively, blue III N-layer-LEDs and III-N-nanowire-LEDs as well as axially doped GaAs-nanowires und radial GaAs/GaInP-structures are characterized and investigated with focus on optical loss mechanisms. Within those investigations detected low-injection losses of a layer-LED could be attributed to a defect assisted tunnelling process through the barriers in the active region. Further, based on analysis a partial screening effect of the polar piezo-electric fields within the active region is discussed as a function of diffusion voltage. A detected short charge carrier lifetime for III-N-nanowire-LED-structures is investigated and attributed to the non-polar crystallographic direction. Furthermore the emission of an electrically driven nanowire-LED offering a high modulation capability is also investigated. An efficient generation of photocurrent could be measured for axially doped GaAs-nanowires by spatially resolved excitation at the pn-junction even though high power densities are used. Corresponding to analysis the charge carrier dynamics and the losses for those structures, respectively, are dominated by the surfaces. Finally time-resolved optical investigation on a radial GaAs/GaInP- nanowire structure has proven a significant reduction of non-radiative losses by the passivation of GaAs-surface states.

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Sager, Daniel: Ladungsträgerdynamik von III-V-Halbleiter-Nanostrukturen für lichtemittierende und photovoltaische Applikationen. 2016.

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