Characterisation of GaN based LEDs grown on unpatterned and patterned sapphire

Abstract

Gallium nitride light-emitting diodes (GaN LEDs) grown by metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE) on sapphire, patterned sapphire substrate (PSS), silicon, and silicon on insulator (SOI) were characterized in this thesis. High resolution X-ray diffraction (HRXRD), atomic force microscopy (AFM), and photoluminescence (PL) spectroscopy were used to characterize the crystal quality, surface morphology and light extraction, respectively. ω − 2θ HRXRD scans were used to take the (0002) full width at half maximum of the GaN layers to calculate the threading dislocation (TD) density. Surface roughness and uniformity was measured by using AFM in semi-contact mode. The multiquantum-well (MQW) structure was characterized by PL spectroscopy, with a laser with an emission wavelength of 415 nm that was directed on the sample. The structure grown on PSS resulted in the most intense luminescence peak and had the lowest TD density with the sapphire sample, although reports of it being lower compared to sapphire have been published. The AFM measurements exhibited a high density of hexagonal pinholes in the PSS, which may be due to poor coalescence at the beginning of the growth.

Galliumnitridiin (GaN) perustuvia ledejä kasvatettiin metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla (MOVPE) safiirin, kuvioidun safiirin, piin ja SOI-materiaalin (pii eristeen päälle). Korkearesoluutioisella röntgendiffraktiolla (HRXRD), atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja fotoluminesenssilla tutkittiin näytteiden kidelaatua, pinnan morfologiaa ja valon uuttotehokkuutta. HRXRD:llä otettiin ω − 2θ -skannauksia, joiden avulla selvitettiin GaN-kerrosten (0002) puoliarvoleveys, jota käytettiin kierredislokaatioiden (TD) tiheyden laskemiseen. Pinnankarheutta ja -yhdenmukaisuutta tutkittiin AFM:llä, joka oli semi-kontaktimoodissa. Monikvanttikaivojen (MQW) rakennetta tutkittiin fotoluminenssilla, jossa 415 nm aallonpituuden laservaloa ohjattiin näytteelle. PSS:lle kasvatettu LED-rakenne tuotti voimakkaimman luminesenssipiikin ja sillä oli myös (safiirin kanssa) alin TD-tiheys, vaikkakin useissa julkaisuissa sen on raportoitu olevan alempi kuin safiirilla. AFM:stä nähdään myös runsaasti kuusikulmaisia reikiä PSS:n ja safiirin pinnalla, mikä voi johtua huonosta yhteen kasvamisesta MOVPE-kasvun alussa.