Electric field dependent optoelectronic nature of InGaN/GaN quantum structures and devices
InGaN/GaN kuvantum yapılarının ve aygıtlarının elektrik alana bağlı optoelektronik doğası
- Tez No: 387831
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Geride bıraktığımız 20 yılda, çalışma dalgaboyları yeşilden yakın morötesine değişen InGaN/GaN tabanlı ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve lazer diyotlar gibi III-Nitrür tabanlı optelektronik aygıtların ortaya çıkışına ve hızlı bir şekilde gelişimine şahit olduk. Bu InGaN/GaN tabanlı aygıtlar artık görüntü, veri saklama ve aydınlatma gibi birçok alan için önem arz ediyor ve toplamda 10 milyar Amerikan dolarının üzerinde bir pazar büyüklüğü oluşturuyor. Bu InGaN/GaN yapıları şimdiye kadar yoğun olarak araştırılmış ve incelenmiş olsa da elektrik alana bağlı doğası çoğunlukla bilinmemektedir; kendinden kutuplu olma özelliği sebebiyle beklenmeyen davranışlar göstermeye eğilimlidir. Bu tez çalışmasında InGaN/GaN kuvantum yapılarının ve bunları içeren kipleyici ve LED gibi aygıtların elektrik alana bağlı özelliklerini incelediğimiz sistematik çalışmalarımızı sunmaktayız. Farklı yapısal özelliklere sahip çoklu kuvantum kuyusu (MQW) içeren kipleyici yapılarını inceleyerek, teorik modelimizle ve deneysel sonuçlarımızla uyumlu şekide, kendinden polarizasyon sebepli elektrik alan şiddeti azaldıkça elektrosoğrulmanın güçlendiğini bulduk. c-düzlemine büyütülmüş InGaN/GaN kuvantum yapılarının elektrik alana bağlı optoelektronik doğasını daha derinlemesine incelemek için LED'ler için kritik önem arz eden ışınımsal taşıyıcı dinamiğini inceledik. Zaman ve tayf çözünümlü fotoışıma ölçümlerimiz ve sayısal analizlerimiz taşıyıcı ömürlerinin, ışınımsal taşıyıcı ömürlerinin ve kuvantum verimliliklerinin hepsinin artan elektrik alan ile azaldığını gösterdi. Ayrıca wurtzite kristal yapısının polarizasyon sebepli elektrik alan içermeyen, polar olmayan, a-düzlemine büyütülen InGaN/GaN kuvantum yapılarının elektrosoğrulma ve taşıyıcı dinamiği ile ilgili fiziğini çalıştık. Buradan elde ettiğimiz sonuçları geleneksel olarak kullanılan c-düzlemine büyütülen polar yapılarla karşılaştırdık. Polar durumda artan elektrik alan ile maviye kayan soğrulma profili ve azalan taşıyıcı ömrü gözlemledik. Polar olmayan durumda, öte yandan, tamamen tersi olduğunu gösterdik: kırmızıya kayan soğrulma profili ve artan taşıyıcı ömürlerini bulduk. Bu gözlemlerimizi Fermi'nin altın kuralı ve kuvantum-kısıtlamalı Stark etkisi gibi temel fiziksel prensiplerle açıkladık. Ayrıca epitaksiyel yatay üst-büyütme (ELOG) tekniği kullanılarak dislokasyon yoğunluğu ile bağıntılı olarak InGaN/GaN kuvantum yapılarının elektrosoğrulma davranışını inceledik ve sabit hal ve zaman çözünürlüklü fotoışıma ölçümleriyle karşlaştırdık. Sonuçlarımız ELOG maske çizgi genişliğinin azalmasıyla elektrosoğrulmanın güçlendiğini gösterdi. ELOG pencere genişliğini sabit tutarken elektrosoğrulma performansı, ilginç bir biçimde, fotoışıma performansına göre daha çok değişim gösterip, elektrosoğrulmayı maske çizgi genişliğine daha hassas hale getirdi. Bu tez, InGaN/GaN kuvantum yapılarının ve aygıtlarının optoelekroniğinin, elektrik alana bağlı doğasını daha iyi anlaşılması için önemli içgörü ve önemli bilgi içermektedir.
Özet (Çeviri)
In the past two decades we have been witnessing the emergence and rapid development of III-Nitride based optoelectronic devices including InGaN/GaN light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes with operation wavelengths ranging from green-blue to near-UV. These InGaN/GaN devices are now being widely used in applications important for lighting, displays, and data storage, collectively exceeding a total market size of 10 billion USD. Although InGaN/GaN has been studied and exploited very extensively to date, its field dependent nature is mostly unknown and is surprisingly prone to quite unexpected behavior due to its intrinsic polarization property. In this thesis, we report our systematic study on the electric field dependent characteristics of InGaN/GaN quantum structures and devices including modulators and LEDs. Here we present our comparative study of electroabsorption in polar c-plane InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs) with different built-in polarization induced electrostatic fields. Analyzing modulator structures with varying structural MQW parameters, we find that electroabsorption grows stronger with decreasing built-in electrostatic field strength inside the well layer, as predicted by our theoretical model and verified by our experimental results. To further explore the field dependent optoelectronic nature of c-plane grown InGaN/GaN quantum structures, we investigate radiative carrier dynamics, which is of critical importance for LEDs. Our time and spectrum resolved photoluminescence measurements and numerical analyses indicate that the carrier lifetimes, the radiative recombination lifetimes, and the quantum efficiencies all decrease with increasing field. We also study the physics of electroabsorption and carrier dynamics in InGaN/GaN quantum heterostructures grown intentionally on nonpolar a-plane of the wurtzite crystal structure, which are free of the polarization-induced electrostatic fields. We compare these results with the conventional c-plane grown polar structures. In the polar case, we observe blue-shifting absorption profile and decreasing carrier lifetimes with increasing electric field. In the nonpolar case, however, we observe completely the opposite: a red-shifting absorption profile and increasing carrier lifetimes. We explain these observations in the context of basic physical principles including Fermi?s golden rule and quantum-confined Stark effect. Also, we present electroabsorption behavior of InGaN/GaN quantum structures grown using epitaxial lateral overgrowth (ELOG) in correlation with their dislocation density levels and in comparison to steady state and time-resolved photoluminescence measurements. The results reveal that ELOG structures with decreasing mask stripe widths exhibit stronger electroabsorption performance. While keeping the ELOG window widths constant, compared to photoluminescence behavior, however, electroabsorption surprisingly exhibits the largest performance variation, making the electroabsorption the most sensitive to the mask stripe widths. This thesis work provides significant insight and important information for the optoelectronics of InGaN/GaN quantum structures and devices to better understand their field dependent nature.
Benzer Tezler
- Optoelektronik uygulamalar için hibrit fonksiyonel yarı iletkenler
Hybrid functional semiconductors for optoelectronic applications
DEMET ASİL ALPTEKİN
- CSA'nın P3HT VE MEH-PPV polimerlerinin fiziksel özelliklerine etkisi
Effect of CSA on the physical properties of P3HT and MEH-PPV polymers
CEM ULUDAĞ
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ALVEROĞLU DURUCU
- Katodik ark plazma işlemi ile CrSi2 yarıiletken filmlerin üretimi
CrSi2 semiconductor film production via cathodic arc plasma deposition
BERİL KOZÇAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- AU/P3HT:F4-TCNQ/N-Sİ Schottky bariyer diyotların F4-TCNQ konsantrasyonuna bağlı C-V ve G/w-V karakteristiklerinin incelebnmesi
The analysis of f4-tcnq concertration dependentc-v and G/w-V characteristics of AU/P3HT:F4-TCNQ/N-Sİ Schottky barrier diodes
ASLIHAN DANACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiDüzce ÜniversitesiKompozit Malzeme Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGE TÜZÜN ÖZMEN
- Geniş yasak enerji aralıklı sıcak elektron lazer ve ışın yayıcı yarıiletken hetero-yapılar
Wide band gap hot electron lasing and light emission in semiconductor heterostructures
SELMAN MUTLU
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN TIRAŞ