Polaritäts- und ortskontrollierte Nitrid-Epitaxie von Nanodrähten zur technologischen Herstellung von Lichtemittern auf Si-Substraten
Der Bedarf an schneller Datenkommunikation wächst in unserer Gesellschaft mit jedem Tag. „Visible Light Communication“ über den Freiraum oder über Polymer-Optische-Fasern ist ein innovativer Ansatz zur Deckung des Bedarfs, benötigt jedoch kostengünstige und schnell schaltbare Lichtemitter, wie Nitrid-basierte Leuchtdioden (LEDs). Die minimal erreichbare Schaltzeit handelsüblicher LEDs ist allerdings begrenzt, da interne elektrische Felder innerhalb der Kristallschichten der LED die Licht-Abschaltung verzögern. Kern-Hülle Nanodraht-LEDs (ND-LEDs) unterliegen dieser zeitlichen Limitierung nicht und sind daher höchst attraktiv. Bis dato konnten sie sich jedoch nicht durchsetzen, da die technologische Kontaktierung der dreidimensionalen ND-Struktur komplex und die industrielle Skalierbarkeit der verwendeten Herstellungsmethoden nicht gegeben sind. Daher ist das Ziel dieser Arbeit hochfrequenz-taugliche Kristallstrukturen mittels eines industriell-relevanten Epitaxie-Prozesses herzustellen, welche zur einfachen technologischen Herstellung von ND-LEDs genutzt werden können. Dieses gelang zum einem, indem die Kristallstrukturen auf leitfähigem Si-Substraten mittels MOVPE gewachsen wurden, wodurch eine einfache Rückseitenkontaktierung möglich ist. Zum anderem konnte das sonst übliche räumlich-zufällige Wachstum der Nitride auf Si durch ein periodisch-angeordnetes Wachstum von ND-LED-Kristallstrukturen ersetzt werden. Hierzu wurde eine ganze neue Methode der räumlich-selektiven Epitaxie (SAE) entwickelt, welche auf der Kontrolle der lokalen Polarität der Nitridkristalle auf der Si-Oberfläche beruht. Das erreichte polaritäts- und ortsgesteuerte Wachstum ermöglichte die Herstellung von bis zu 5 µm-hohen Nanodrähten mit koaxialen LED-Hüllen, welche den Draht gezielt nur lokal im oberen Teil einhüllten. Die gewonnene dreidimensionale Epitaxiekontrolle wurde dabei stets über detaillierte kristallfacetten -und parameterabhängige Wachstumsmodelle erläutert. Anhand der erreichten Kristallstruktur konnte eine einfache Kontaktierungstechnologie entwickelt werden, welche ohne elektrische Isolationsschichten auskommt, womit die Herstellung von ND-LED-Prototypen in nur wenigen Prozessschritten gelang.
Durch zusätzliche elektro-optische Charakterisierungen der Prototypen und Nachmodellierung der gemessenen Daten, konnten weitere Erkenntnisse zur Optimierung des entwickelten Konzepts gewonnen werden und das Vorliegen des Quanten-Confined-Stark-Effekt ausgeschlossen werden (strahlende Lebensdauer ≈ 500 ps). Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Kern-Hülle Nitridhalbleiterstrukturen auf Si zur relativ simplen Bauelementherstellung von ND-LEDs für zukünftige Datenkommunikations-Anwendungen eignen.
The demand for high-speed data communication is growing with each passing day in our modern society. "Visible Light Communication" via free space or by polymer optical fibers is an innovative approach to meet the demand but requires low-cost and fast light on/off-switching light emitters, such as nitride-based light emitting diodes (LEDs). However, the switching time of commercially available LEDs is limited due to the presence of internal electric fields in the crystal layers of the LED. These fields cause the LED to emit light for periods longer than desired, preventing fast switching. Core-shell nanowire LEDs (NW-LEDs) are not subject to this time limitation. Therefore NW-LEDs are highly attractive, but they have not been able to gain acceptance because the technological contacting of the three-dimensional structure is complex and the industrial scalability of the production methods used is not given. Therefore, the aim of this work is to fabricate crystal structures by an industry-relevant epitaxial process, which offer the possibility of high-speed light switching and can be used relatively easy for the technological fabrication of NW-LEDs. This was achieved on the one hand by growing the crystal structures on conductive Si substrates using MOVPE, which enables simple backside contacting. On the other hand, the otherwise usual spatially random growth of nitrides on Si could be replaced by a periodically ordered growth of NW-LED crystal structures. For this purpose, a whole new method of Selective Area Epitaxy (SAE) was developed, which is based on the spatial control of the nitride crystal polarity on the Si surface. The achieved polarity- and site-controlled growth enabled the fabrication of up to 5 µm-high nanowires with coaxial LED shells, which selectively enveloped the nanowire locally in the upper part. The obtained three-dimensional epitaxial control has been explained by detailed crystal facet and parameter dependent growth models. Based on the achieved crystal structure, a relatively simple contacting technology was developed, which does not require additive electrical isolation layers, thus enabling the fabrication of NW-LED prototypes in a few technological process steps, only.
Additional electro-optical characterization of the prototypes and electrical post-modelling of the measured data provided further insights into the optimizations of the developed concept and ruled out the presence of the Quantum-Confined Stark effect (radiative lifetime ≈ 500 ps). The results show that the nitride semiconductor crystal structures on Si are suitable for relatively simple device fabrication of NW-LEDs for future high-speed data communication applications.