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Properties of Zincblende GaN and (In,Ga,Al)N Heterostructures grown by Molecular Beam Epitaxy

by Müllhäuser, Jochen R.

Abstract (Summary)
Während über hexagonales (alpha) GaN zum ersten Mal 1932 berichtet wurde, gelang erst 1989 die Synthese einer mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf 3C-SiC epitaktisch gewachsenen, metastabilen kubischen (eta) GaN Schicht. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung der Verbindungen eta-(In,Ga,Al)N mittels RF-Plasma unterstützter MBE auf GaAs(001) und den mikrostrukturellen sowie optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems. Im Vergleich zur hexagonalen bietet die kubische Kristallstruktur auf Grund ihrer höheren Symmetrie potentielle Vorteile für die Anwendung in optischen und elektronischen Bauelementen. Viele wichtige Materialgrößen der kubischen Nitride sind jedoch noch gänzlich unbekannt, da sich die Synthese einkristalliner Schichten als sehr schwierig erweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher erstens, die technologischen Grenzen der Herstellung von bauelementrelevanten kubischen (In,Ga,Al)N Heterostrukturen auszuweiten und zweitens, einen Beitrag zur Aufklärung der bis dato wenig bekannten optischen und elektronischen Eigenschaften des GaN und der Mischkristalle In GaN zu leisten. Zunächst wird ein optimierter MBE Prozess unter Einsatz einer Plasmaquelle hohen Stickstofflusses vorgestellt, welcher nicht nur die reproduzierbare Epitaxie glatter, einphasiger GaN Nukleationsschichten auf GaAs ermöglicht. Vielmehr können damit auch dicke GaN. Schichten mit glatter Oberflächenmorphologie hergestellt werden, welche die Grundlage komplizierterer eta-(In,Ga,Al)N Strukturen bilden. An einer solchen GaN Schicht mit einer mittleren Rauhigkeit von nur 1.5 nm werden dann temperaturabhängige Reflexions- und Transmissionsmessungen durchgeführt. Zur Auswertung der Daten wird ein numerisches Verfahren entwickelt, welches die Berechnung des kompletten Satzes von optischen Konstanten im Spektralgebiet 2.0 <= omega < 3.8 eV ermöglicht. Inhomogenitäten im Brechungsindex, welche die zeitliche Kohärenz der Meßstrahlung reduzieren, werden mit Monte Carlo Simulationen quantitativ ermittelt. Daneben erfolgt eine Bestimmung der fundamentalen Absorptionskante EG(T) im Temperaturbereich 5 < T < 300 K und eine Untersuchung der Zustandsdichte bei Raumtemperatur. Die von alpha- und GaN nahe der Bandkante emittierte Photolumineszenz (PL) wird systematisch als Funktion der Temperatur hinsichtlich überGaNgsenergien, Linienbreite und -form, sowie Intensität untersucht. Hieraus werden mittlere Phononenergien, -kopplungskonstanten und thermische Aktivierungsenergien berechnet. Um den Einfluß nichtstrahlender Rekombinationsprozesse quantitativ zu erfassen, werden bei Raumtemperatur PL Messungen mit variabler Anregungsdichte durchgeführt. Ein Rekombinationsmodell ermöglicht dann die Abschätzung der internen Quanteneffizienz, (nicht)strahlenden Lebensdauern, sowie des Verhältnisses der Koeffizienten für Elektronen- und Löchereinfang. Das dominante nichtstrahlende Zentrum des n-dotierten GaN erweist sich dabei als Lochfalle, welches jedoch mit moderaten Anregungsdichten abgesättigt werden kann. Trotz der durch die Gitterfehlanpassung verursachten hohen Defektdichten des GaN konnte selbst bei 500 K Lumineszenz nachgewiesen werden, deren Intensität mit jener hochwertiger GaN Proben vergleichbar ist. An dicken InGaN Schichten wird erstmalig bandkantennahe blaue (x=0.17) und grüne (x=0.4) PL selbst bei 400 K beobachtet. Daneben werden die ersten kohärent verspannten In GaN/GaN (Multi-)Quantengräben mit In-Gehalten von 50% und abrupten Grenzflächen hergestellt. Dieses Ergebnis zeigt, daß ein ternärer Mischkristall in einer metastabilen Struktur weit jenseits der Mischungslücke seiner binären Komponenten gezüchtet werden kann. Die Dicken der Quantengräben belaufen sich auf 4 bis 7 nm und liegen damit oberhalb der erwarteten kritischen Schichtdicken für die beobachteten Gitterverzerrungen von über 3%. Es ist daher zu erwarten, daß noch höhere In-Gehalte in Schichten mit weniger als 5 nm Dicke erreicht werden können. Eine potentielle Anwendung solcher InGaN/GaN Multi-Quantengräben mit x >= 0.4 wären grün-gelbe Laserdioden. Zusammenfassung in PostScript
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Bibliographical Information:

Advisor:

School:Humboldt-Universität zu Berlin

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:Physik, Astronomie Kubische Nitride Verspannung Optische Konstanten Kohärenz Nichtstrahlende Rekombination Quanten Effizienz Ladungsträger Lebensdauer Physik

ISBN:

Date of Publication:06/17/1999

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