Molecular beam epitaxy growth and basic physical properties of quaternary AlInGaN layers, sufficiently thick for construction of electron blocking layers (EBL), embedded in ternary InGaN layers are presented. Transmission electron microscopy (TEM) measurement revealed good crystallographic structure and compositional uniformity of the quaternary layers contained in other nitride layers, which are typical for construction of nitride based devices. The AlInGaN layer was epitaxially compatible to InGaN matrix, strained, and no strain related dislocation creation was observed. The strain penetrated for limited depth, below 3 nm, even for relatively high content of indium (7%). For lower indium content (0.6%), the strain was below the detection limit by TEM strain analysis. The structures containing quaternary AlInGaN layers were studied by time dependent photoluminescence (PL) at different temperatures and excitation powers. It was shown that PL spectra contain three peaks: high energy donor bound exciton peak from the bulk GaN (DX GaN) and the two peaks (A and B) from InGaN layers. No emission from quaternary AlInGaN layers was observed. An accumulation of electrons on the EBL interface in high-In sample and formation of 2D electron gas (2DEG) was detected. The dynamics of 2DEG was studied by time resolved luminescence revealing strong dependence of emission energy on the 2DEG concentration. Theoretical calculations as well as power-dependence and temperature-dependence analysis showed the importance of electric field inside the structure. At the interface, the field was screened by carriers and could be changed by illumination. From these measurements, the dynamics of electric field was described as the discharge of carriers accumulated on the EBL.

1.
S.
Nakamura
,
S. J.
Pearton
, and
G.
Fasol
,
The Blue Laser Diode: The Complete Story
, 2nd ed. (
Springer-Verlag
,
Berlin, New York
,
2000
).
2.
H.
Amano
, in
III-Nitride Semiconductors and Their Modern Devices
, edited by
B.
Gil
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
2013
), p.
1
.
3.
H.
Morkoc
,
Nitride Semiconductors and Devices
(
Springer Science & Business Media
,
Berlin
,
2013
).
4.
C.
Freysoldt
,
B.
Grabowski
,
T.
Hickel
,
J.
Neugebauer
,
G.
Kresse
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Rev. Mod. Phys.
86
,
253
(
2014
).
5.
K.
Saarinen
,
T.
Laine
,
S.
Kuisma
,
J.
Nissilä
,
P.
Hautojärvi
,
L.
Dobrzynski
,
J. M.
Baranowski
,
K.
Pakula
,
R.
Stepniewski
,
M.
Wojdak
,
A.
Wysmolek
,
T.
Suski
,
M.
Leszczynski
,
I.
Grzegory
, and
S.
Porowski
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
3030
(
1997
).
6.
K.
Ban
,
J.
Yamamoto
,
K.
Takeda
,
K.
Ide
,
M.
Iwaya
,
T.
Takeuchi
,
S.
Kamiyama
,
I.
Akasaki
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Express
4
,
052101
(
2011
).
7.
S. F.
Chichibu
,
T.
Azuhata
,
T.
Sota
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
4188
(
1996
).
8.
S.
Chichibu
,
T.
Azuhata
,
T.
Sota
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
2822
(
1997
).
9.
S.
Chichibu
,
K.
Wada
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
2346
(
1997
).
10.
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
3958
(
1997
).
11.
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
56
,
R10024
(
1997
).
12.
V.
Fiorentini
,
F.
Bernardini
,
F.
Della Salla
,
A.
Di Carlo
, and
P.
Lugli
,
Phys. Rev. B
60
,
8849
(
1999
).
13.
F.
Bernardini
and
V.
Fiorentini
,
Phys. Status Solidi B
216
,
391
(
1999
).
14.
K. C.
Mishra
,
P. C.
Schmidt
,
S.
Laubach
, and
K. H.
Johnson
,
Phys. Rev. B
76
,
035127
(
2007
).
15.
C. G.
Van de Walle
and
J.
Neugebauer
,
J. Appl. Phys.
95
,
3851
(
2004
).
16.
P.
Bogusławski
,
E. L.
Briggs
, and
J.
Berhholc
,
Phys. Rev. B
51
,
17255
(
1995
).
17.
D. D.
Koleske
,
J. J.
Wierer
, Jr.
,
A. J.
Fischer
, and
S. R.
Lee
,
J. Cryst. Growth
390
,
38
(
2014
).
18.
R.
Czernecki
,
S.
Kret
,
P.
Kempisty
,
E.
Grzanka
,
J.
Plesiewicz
,
G.
Targowski
,
S.
Grzanka
,
M.
Bilska
,
J.
Smalc-Koziorowska
,
S.
Krukowski
,
T.
Suski
,
P.
Perlin
, and
M.
Leszczynski
,
J. Cryst. Growth
402
,
330
(
2014
).
19.
H.
Turski
,
G.
Muziol
,
P.
Wolny
,
S.
Grzanka
,
G.
Cywiński
,
M.
Sawicka
,
P.
Perlin
, and
C.
Skierbiszewski
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
023503
(
2014
).
20.
C.
Skierbiszewski
,
M.
Siekacz
,
H.
Turski
,
G.
Muziol
,
M.
Sawicka
,
Z. R.
Wasilewski
, and
S.
Porowski
,
J. Cryst. Growth
378
,
278
(
2013
).
21.
M.
Kryśko
,
R.
Czernecki
,
P.
Prystawko
,
G.
Targowski
,
S.
Grzanka
,
J.
Domagała
,
I.
Grzegory
,
B.
Łucznik
, and
M.
Leszczyński
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
38
,
A89
(
2005
).
22.
M.
Sarzyński
,
M.
Kryśko
,
G.
Targowski
,
R.
Czernecki
,
A.
Sarzyńska
,
A.
Libura
,
W.
Krupczyński
,
P.
Perlin
, and
M.
Leszczyński
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
121124
(
2008
).
23.
R.
Czernecki
,
S.
Krukowski
,
G.
Targowski
,
P.
Prystawko
,
M.
Sarzynski
,
M.
Krysko
,
G.
Kamler
,
I.
Grzegory
,
M.
Leszczynski
, and
S.
Porowski
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
231914
(
2007
).
24.
D. A. B.
Miller
,
D. S.
Chemla
,
T. C.
Damen
,
A. C.
Gossard
,
W.
Wiegmann
,
T. H.
Wood
, and
C. A.
Burrus
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
2173
(
1984
).
25.
M. P.
Halsall
,
J. E.
Nicholls
,
J. J.
Davies
,
B.
Cockayne
, and
P. J.
Wright
,
J. Appl. Phys.
71
,
907
(
1992
).
26.
M.
Buongiorno Nardelli
,
K.
Rapcewicz
, and
J.
Bernholc
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
3135
(
1997
).
27.
R.
Langer
,
J.
Simon
,
V.
Ortiz
,
N. T.
Pelekanos
,
A.
Barski
,
R.
Ander
, and
M.
Godlewski
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3827
(
1999
).
28.
P.
Lefebvre
,
J.
Allegre
,
B.
Gil
,
H.
Mathieu
,
N.
Grandjean
,
M.
Leroux
,
J.
Massies
, and
P.
Bigenwald
,
Phys. Rev. B
59
,
15363
(
1999
).
29.
T.
Takeuchi
,
C.
Wetzel
,
S.
Yamaguchi
,
H.
Sakai
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
Y.
Kaneko
,
S.
Nakagawa
,
Y.
Yamaoka
, and
N.
Yamada
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1691
(
1998
).
30.
J. S.
Im
,
H.
Kollmer
,
J.
Off
,
A.
Sohmer
,
F.
Scholz
, and
A.
Hangleiter
,
Phys. Rev. B
57
,
R9435
(
1998
).
31.
S. P.
Najda
,
P.
Perlin
,
T.
Suski
,
L.
Marona
,
M.
Bockowski
,
M.
Leszczynski
,
P.
Wisniewski
,
R.
Czernecki
,
R.
Kucharski
,
G.
Targowski
,
S.
Watson
, and
A. E.
Kelly
,
Proc. SPIE
9524
,
92540
Z (
2014
).
32.
A.
Dadgar
,
L.
Groh
,
S.
Metzner
,
S.
Neugebauer
,
J.
Blasing
,
T.
Hempel
,
F.
Bertram
,
J.
Christen
,
A.
Krost
,
Z.
Andreev
, and
B.
Witzigmann
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
062110
(
2013
).
33.
L.
Groh
,
C.
Hums
,
J.
Blasing
,
A.
Krost
, and
A.
Dadgar
,
Phys. Status Solidi B
248
,
622
(
2011
).
34.
T.
Wang
,
J.
Xu
, and
X.
Wang
,
Chin. Sci. Bull.
59
,
2460
(
2014
).
35.
P. A.
Markowich
,
C. A.
Ringhofer
, and
C.
Schmeiser
,
Semiconductor Equations
(
Springer-Verlag
,
Wien
,
1990
).
36.
K.
Sakowski
,
L.
Marcinkowski
, and
S.
Krukowski
,
Modification of the Newton's Method for the Simulations of Gallium Nitride Semiconductor Devices
, Lecture Notes in Computer Science Vol. 8385 (
Springer-Verlag
,
Berlin
2014
), p.
551
.
37.
K.
Sakowski
,
L.
Marcinkowski
,
S.
Krukowski
,
S.
Grzanka
, and
E.
Litwin-Staszewska
,
J. Appl. Phys.
111
,
123115
(
2012
).
38.
S.
Selberherr
,
Analysis and Simulation of Semiconductor Devices
(
Springer-Verlag
,
Wien
,
1984
).
39.
C.
Skierbiszewski
,
H.
Turski
,
G.
Muziol
,
M.
Siekacz
,
M.
Sawicka
,
G.
Cywinski
,
Z. R.
Wasilewski
, and
S.
Porowski
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
073001
(
2014
).
40.
A.
Rosenauer
,
S.
Kaiser
,
T.
Reisinger
,
J.
Zweck
,
W.
Gebhardt
, and
D.
Gerthsen
,
Optik
102
,
63
(
1996
).
41.
A.
Rosenauer
,
D.
Gerthsen
, and
V.
Potin
,
Phys. Status Solidi A
203
,
176
(
2006
).
42.
J.
Simon
,
V.
Protasenko
,
C. X.
Lian
,
H. L.
Xing
, and
D.
Jena
,
Science
327
,
60
(
2010
).
43.
O.
Ambacher
,
J.
Majewski
,
C.
Miskys
,
A.
Link
,
M.
Hermann
,
M.
Eickhoff
,
M.
Stutzmann
,
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
,
V.
Tilak
,
B.
Schaff
, and
L. F.
Eastman
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
3399
(
2002
).
44.
K. P.
Korona
,
J. P.
Bergman
,
B.
Monemar
,
J. M.
Baranowski
,
K.
Pakuła
,
I.
Grzegory
, and
S.
Porowski
,
Mater. Sci. Forum
258–263
,
1125
(
1997
).
45.
I. A.
Buyanova
,
J. P.
Bergman
,
B.
Monemar
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
A.
Wysmolek
,
P.
Lomiak
,
J. M.
Baranowski
,
K.
Pakula
,
R.
Stepniewski
,
K. P.
Korona
,
I.
Grzegory
,
M.
Bockowski
, and
S.
Porowski
,
Solid State Commun.
105
,
497
(
1998
).
46.
F.
Scholz
,
J.
Off
,
A.
Sohmer
,
V.
Syganov
,
A.
Doernen
, and
O.
Ambacher
,
J. Cryst. Growth
189/190
,
8
(
1998
).
47.
K. P.
Korona
,
A.
Babiński
,
S.
Raymond
, and
Z.
Wasilewski
,
Acta Phys. Pol., A
110
,
219
(
2006
).
48.
J.
Binder
,
K. P.
Korona
,
A.
Wysmołek
,
M.
Kamińska
,
K.
Köhler
,
L.
Kirste
,
O.
Ambacher
,
M.
Zając
, and
R.
Dwiliński
,
J. Appl. Phys.
114
,
223504
(
2013
).
49.
P.
Dróżdż
,
K. P.
Korona
,
M.
Sarzyński
,
T.
Suski
,
R.
Czernecki
, and
D.
Wasik
,
Phys. Status Solidi B
253
,
284
(
2015
).
50.
G.
Franssen
,
A.
Kaminska
,
T.
Suski
,
A.
Suchocki
,
K.
Kazlauskas
,
G.
Tamulaitis
,
A.
Zukauskas
,
R.
Czarnecki
,
H.
Teisseyre
,
P.
Perlin
,
M.
Leszczynski
,
M.
Boćkowski
,
I.
Grzegory
, and
N.
Grandjean
,
Phys. Status Solidi B
241
,
3285
(
2004
).
51.
P. G.
Eliseev
,
P.
Perlin
,
J.
Lee
, and
M.
Osiński
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
569
(
1997
).
52.
Y.-H.
Cho
,
G. H.
Gainer
,
A. J.
Fischer
,
J. J.
Song
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
, and
S. P.
DenBaars
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1370
(
1998
).
53.
Q.
Li
,
S. J.
Xu
,
W. C.
Cheng
,
M. H.
Xie
,
S. Y.
Tong
,
C. M.
Che
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1810
(
2001
).
54.
K.
Kazlauskas
,
G.
Tamulaitis
,
A.
Žukauskas
,
M. A.
Khan
,
J. W.
Yang
,
J.
Zhang
,
G.
Simin
,
M. S.
Shur
, and
R.
Gaska
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3722
(
2003
).
55.
P. G.
Eliseev
,
J. Appl. Phys.
93
,
5404
(
2003
).
56.
Q.
Li
,
S. J.
Xu
,
M. H.
Xie
, and
S. Y.
Tong
,
Europhys. Lett.
71
,
994
(
2005
).
57.
K. P.
Korona
,
A.
Wysmołek
,
K.
Pakuła
,
R.
Stępniewski
,
J. M.
Baranowski
,
I.
Grzegory
,
B.
Łucznik
,
M.
Wróblewski
, and
S.
Porowski
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
788
(
1996
).
You do not currently have access to this content.