Optical Properties of Wurtzite InN and Related Alloys

Sakalauskas, Egidijus GND

In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Wurtzitstruktur InN und verwandten ternären InGaN und AlInN, sowie quaternären AlInGaN Legierungen untersucht. Der Schwerpunkt wird auf die Charakterisierung mittels spektroskopischer Ellipsometrie gelegt. Die auf Si(111) Substraten gewachsenen InN-Proben und die Kohlstoff dotierten InN-Proben sind im Spektralbereich vom mittleren Infrarot bis hin zum Vakuum-Ultraviolett untersucht worden. Die Elektronenkonzentration für die InN-Proben wird durch selbstkonsistentes Lösen (der Ellipsometriedaten Analyse im Infrarotbereich und der Anpassung des Absorption Ansatz) bestimmt. Die intrinsische spannungsfreie Bandlücke für InN Proben wird unter Berücksichtigung von Vielteilcheneffekten wie der Bandlückenrenormierung und der Burstein-Moss-Verschiebung, sowie dem Einfluss der Verzerrung für die Bandlücke bestimmt. Die k*p-Methode wird verwendet, um die Verschiebung der Bandlücke (beeinflusst durch Verzerrung) zu berechnen. Es wird demonstriert, dass eine Erhöhung des Kohlenstofftetrabromid (CBr4) Drucks während des Wachstumsprozess, die Elektronenkonzentration in den InN-Proben erhöht. Die Indium-verwandten Legierungen wurden im Spektralbereich des nahen Infrarot bis zum Vakuum-Ultraviolett untersucht. Das analytische Modell, der dielektrichen Funktion im Spektralbereich 1-10 eV, für die Indium-verwandte Legierungen wird präsentiert. Durch die Anpassung des analytischen Modells an die experimentellen dielektrischen Funktionen, werden die Bandlücke und die Übergangsenergien im Hochenergie-Bereich evaluiert. Die Bowing-Parameter der spannungsfreien Bandlücke für die ternären Systeme InGaN und AlInN werden bestimmt. Es wird demonstriert, dass der Bowing-Parameter für AlInN von der Komposition der Legierung abhängig ist. Die Kenntnis von Bowing-Parametern für die ternären Legierungen ermöglicht die Entwicklung einer empirischen Gleichung, zur Berechnung der Bandlücke in quaternären Legierungen. Alle experimentell durch Ellipsometrie bestimten Bandlücken der untersuchten Legierungen werden durch ab-initio Daten unterstützt.

In this work, optical properties of wurtzite structure InN and related ternary InGaN and AlInN, as well as quaternary AlInGaN alloys were investigated. The spectroscopic ellipsometer was used as the main characterization tool for the analysis of the optical properties. The InN samples grown on Si(111) substrates, as well as carbon doped InN samples were investigated from mid-infrared up to vacuum-ultraviolet spectral range. The electron concentration for InN samples were evaluated by solving a self-consistent problem that includes the IR-SE ellipsometry data analysis and the imaginary dielectric function around the band gap calculation. The intrinsic strain-free band-gap was estimated after taking into consideration a band-gap renormalization and Burstein-Moss shift, as well as a strain influence on the band gap. The k*p method was used to calculate the strain induced band-gap shift. From the analysis, it was shown that for the carbon doped InN samples the electron concentration increases linearly by increasing the CBr4 dopant pressure during the MBE growth process. The In-related alloys were investigated from near-infrared up to vacuum-ultraviolet spectral range. The analytical model of the dielectric function in the spectral range 1-10 eV was presented. From the fit of the analytical model to the experimental dielectric functions, the band gaps and high-energy inter-band transitions were estimated. The strain-free band-gap bowing parameters for ternary InGaN and AlInN alloys were obtained. It was demonstrated, that the bowing parameter for AlInN is composition dependent. With the knowledge of the bowing parameters of ternary alloys, it was possible to develop an empirical equation that allows to estimate the band gap for a quaternary AlInGaN alloy. All experimentally obtained band gaps are in good agreement with the ab-initio calculated values.

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Sakalauskas, Egidijus: Optical Properties of Wurtzite InN and Related Alloys. 2013.

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