Author(s): Pereira, Sérgio Manuel de Sousa
Date: 2005
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/2666
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Propriedades ópticas; Filmes finos; Epitaxia; Dispositivos optoelectrónicos; Electroluminescência
Esta tese apresenta os resultados de uma investigação experimental em filmes epitaxiais emissores de luz baseados em InxGa1-xN. O InxGa1-xN é uma liga semicondutora ternária do grupo III-N muito utilizada como camada activa numa gama de dispositivos optoelectrónicos em desenvolvimento, incluindo díodos emissores de luz (LEDs) e díodos laser (LDs), para operação na região do visível e ultravioleta do espectro electromagnético. Neste estudo, caracterizam-se as propriedade ópticas e estruturais de camadas simples e poços quânticos múltiplos (Multiple Quantum Wells, MQWs) de InxGa1-xN/GaN, com ênfase nas suas propriedades físicas fundamentais. O objectivo central do trabalho prende-se com a compreensão mais profunda dos processos físicos que estão por trás das suas propriedades ópticas, preenchendo o fosso existente entre aplicações tecnológicas e o conhecimento científico. Nomeadamente, a tese aborda os problemas da medição da fracção de InN (x) em multicamadas ultrafinas sujeitas a tensões, a influência da composição e das tensões microscópicas nas propriedades ópticas e estruturais. A questão relativa à segregação de fases em multicamadas de InxGa1-xN/GaN é também discutida à luz dos resultados obtidos. A metodologia seguida assenta na integração de resultados obtidos por técnicas complementares através de uma análise sistemática e multidisciplinar. Esta abordagem passa pela combinação de: 1) Crescimento de amostras por deposição epitaxial em fase de vapor organometálico (MOVPE) com características específicas de forma a tentar isolar parâmetros estruturais, tais como espessura e composição; 2) Caracterização nanoestrutural por microscopia de força atómica (AFM), microscópica electrónica de varrimento (SEM), difracção de raios-X e retro-dispersão de Rutherford (RBS); 3) Caracterização óptica a escalas complementares por: espectroscopia de absorção óptica (OA), fotoluminescência (PL), catodoluminescência (CL) e microscopia confocal (CM) com análise espectral. Com base nos resultados obtidos, a tese propõe modelos de interpretação para as propriedades estruturais e ópticas, dando ênfase às suas correlações. Em particular, estabelece-se a necessidade de considerar fenómenos relacionados com tensões microscópicas na interpretação dos resultados experimentais. Com este trabalho fica clara a necessidade de um conhecimento detalhado das características nanoestruturais para interpretar as propriedades ópticas das ligas de InxGa1-xN.
This thesis presents an experimental investigation of light emitting epitaxial layers based on indium gallium nitride (InxGa1-xN). This group III-nitride ternary semiconductor alloy is used as the active layer in a novel class of optoelectronic devices, including light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs), under development to operate in the visible and ultraviolet regions of the electromagnetic spectrum. The structural and optical properties of InxGa1- xN/GaN single layers and multiple quantum wells (MQWs) are characterized with an emphasis on their fundamental physical properties. The fundamental purpose of this work is to provide grounds for better understanding of the yet unclear physics of this important material system, and help to fill the gap between basic scientific knowledge and technological applications. Namely, this work addresses the issues of accurate measurement of the InN mole fraction (x), the influence of composition and strain in the structural and optical properties and the topic of phase segregation in InxGa1- xN. The approach taken in this thesis is to integrate information provided by several complementary structural and optical characterization techniques through a systematic and multidisciplinary analysis. Specifically we combine: 1) sample growth by metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) with specific features in an attempt to isolate the influence of structural parameters, such as layer thickness and composition; 2) Structural characterization by atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Rutherford Backscattering spectrometry (RBS); 3) Optical characterisation at complementary length scales by: optical absorption (OA), photoluminescence (PL), and cathodoluminescence (CL) spectroscopy and confocal microscopy (CM) spectroscopy. Based on the results obtained, interpretation models to describe the structural and optical features are proposed, with a particular emphasis on the establishment of direct correlations between both. It is concluded that strainrelated phenomena must be taken into account to interpret the experimental results. Moreover it is also deduced that a detailed knowledge on the nanostructure is essential to explain InxGa1-xN optical properties.
